As baterias utilizadas nos nossos telefones, dispositivos e até nos carros dependem de metais como o lítio e o cobalto, obtidos através de mineração intensiva e invasiva. À medida que mais produtos começam a depender de sistemas de armazenamento de energia baseados em baterias, abandonar as soluções baseadas em steel será basic para facilitar a transição para a energia verde.
Agora, uma equipe da Northwestern College transformou um resíduo orgânico em escala industrial em um agente de armazenamento eficiente para soluções de energia sustentável que um dia poderão ser aplicadas em escalas muito maiores. Embora muitas iterações dessas baterias, chamadas baterias de fluxo redox, estejam em produção ou sendo pesquisadas para aplicações em escala de rede, o uso de uma molécula residual – óxido de trifenilfosfina (TPPO) – marcou a primeira vez no campo.
Milhares de toneladas do conhecido subproduto químico são produzidas todos os anos por muitos processos de síntese industrial orgânica – incluindo a produção de algumas vitaminas, entre outras coisas – mas torna-se inútil e deve ser cuidadosamente descartado após a produção.
Em artigo publicado hoje (7 de janeiro) no Jornal da Sociedade Química Americana, uma reação “one-pot” permite que os químicos transformem o TPPO em um produto utilizável com poderoso potencial para armazenar energia, abrindo a porta para a viabilidade de baterias de fluxo redox orgânicas derivadas de resíduos, um tipo de bateria há muito imaginado.
“A pesquisa sobre baterias tem sido tradicionalmente dominada por engenheiros e cientistas de materiais”, disse o químico e autor principal da Northwestern, Christian Malapit. “Os químicos sintéticos podem contribuir para o campo através da engenharia molecular de um resíduo orgânico em uma molécula de armazenamento de energia. Nossa descoberta mostra o potencial de transformar compostos residuais em recursos valiosos, oferecendo um caminho sustentável para a inovação na tecnologia de baterias.”
Malapit é professor assistente no departamento de química da Weinberg School of Arts and Sciences da Northwestern.
Atualmente, uma pequena parte do mercado de baterias, o mercado de baterias de fluxo redox deverá aumentar 15% entre 2023 e 2030, atingindo um valor de 700 milhões de euros em todo o mundo. Ao contrário do lítio e de outras baterias de estado sólido que armazenam energia em eletrodos, as baterias de fluxo redox usam uma reação química para bombear energia para frente e para trás entre os eletrólitos, onde sua energia é armazenada. Embora não sejam tão eficientes no armazenamento de energia, as baterias de fluxo redox são consideradas soluções muito melhores para o armazenamento de energia em escala de rede.
“Não só uma molécula orgânica pode ser usada, mas também pode atingir alta densidade energética – aproximando-se de seus concorrentes baseados em steel – juntamente com alta estabilidade”, disse Emily Mahoney, Ph.D. candidato no laboratório Malapit e primeiro autor do artigo. “Esses dois parâmetros são tradicionalmente difíceis de otimizar juntos, portanto, ser capaz de mostrar isso para uma molécula derivada de resíduos é particularmente emocionante.”
Para alcançar densidade e estabilidade de energia, a equipe precisava identificar uma estratégia que permitisse que os elétrons se agrupassem firmemente na solução sem perder capacidade de armazenamento ao longo do tempo. Eles olharam para o passado e encontraram um artigo de 1968 descrevendo a eletroquímica dos óxidos de fosfina e, de acordo com Mahoney, “seguiram em frente”.
Então, para avaliar a resiliência da molécula como um potencial agente de armazenamento de energia, a equipe realizou testes usando cargas eletroquímicas estáticas e experimentos de descarga semelhantes ao processo de carregar uma bateria, usando a bateria, e depois carregá-la novamente, repetidamente. Após 350 ciclos, a bateria manteve uma saúde notável, perdendo capacidade insignificante ao longo do tempo.
“Este é o primeiro exemplo de utilização de óxidos de fosfina – um grupo funcional na química orgânica – como componente ativo redox na pesquisa de baterias”, disse Malapit. “Tradicionalmente, os óxidos de fosfina reduzidos são altamente instáveis. Nossa abordagem de engenharia molecular aborda essa instabilidade, abrindo caminho para sua aplicação no armazenamento de energia.”
Entretanto, o grupo espera que outros investigadores assumam a responsabilidade e comecem a trabalhar com o TPPO para otimizar e melhorar ainda mais o seu potencial.
A pesquisa foi apoiada por uma bolsa inicial da Northwestern, do Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia (DE-FG02-99ER14999) e da Nationwide Science Basis Graduate Analysis Fellowship.
