Tradicionalmente, os elementos metálicos têm sido convencionalmente empregados como agentes ativos nos eletrodos anódicos de sistemas de armazenamento eletroquímico.
Entretanto, uma transição paradigmática tem se manifestado em direção à adoção de compostos orgânicos redox ativos, notadamente aqueles fundamentados em estruturas quinônicas e aminas, para desempenhar a função de eletrodos anódicos em dispositivos de baterias metal-ar de caráter recarregável.
Estes dispositivos, por sua vez, são caracterizados pela presença de eletrodos catódicos responsáveis pela redução do oxigênio.
Nesse contexto, é pertinente ressaltar que processos eletroquímicos de caráter redox são mediados por prótons e íons hidroxila, os quais atuam como participantes ativos nas reações de natureza redox que ocorrem nos mencionados sistemas.
De maneira notável, tais sistemas eletroquímicos manifestam um desempenho bastante significativo, aproximando-se da capacidade máxima teoricamente concebível.
"Além desse aspecto, a inserção de moléculas orgânicas redox ativas no âmbito das baterias metal-ar de configuração recarregável suplanta os obstáculos associados aos elementos metálicos, cuja problemática inclui a formação de estruturas morfológicas denominadas “dendritos”, os quais exercem um impacto adverso na performance do dispositivo e, adicionalmente, acarretam implicações negativas no que diz respeito ao meio ambiente.
No entanto, é importante observar que essas baterias empregam eletrólitos líquidos, assim como suas contrapartes baseadas em metais, o que introduz preocupações substanciais no que concerne à segurança, notadamente relacionadas à elevada resistência elétrica, efeitos de lixiviação e suscetibilidade à inflamabilidade.
Em uma investigação científica recentemente veiculada na prestigiosa revista “Angewandte Chemie International Edition”, um coletivo de pesquisadores japoneses apresentou resultados relativos ao desenvolvimento de uma bateria de ar recarregável integralmente sólida (BARES) e à subsequente exploração de sua capacidade e durabilidade.
O mencionado estudo foi liderado pelo Prof. Kenji Miyatake, que ocupa posições docentes tanto na Universidade Waseda quanto na Universidade de Yamanashi, e contou com a colaboração do Prof. Kenichi Oyaizu, também vinculado à Universidade Waseda.
A seleção dos elementos componentes foi meticulosamente realizada pelos pesquisadores, que elegeram o composto químico designado como 2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona (DHBQ) e seu polímero correspondente, o poli(2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno) (PDBM), como materiais ativos destinados ao eletrodo negativo.
Tal escolha se fundamentou nas características intrínsecas desses elementos, que manifestam reações redox estáveis e reversíveis, sobretudo em um contexto de condições ácidas.
Ademais, como medida inovadora, os pesquisadores empregaram um polímero condutor de prótons conhecido como Nafion, a fim de desempenhar o papel de eletrólito sólido, efetuando assim a substituição dos eletrólitos líquidos tradicionalmente empregados.
O Prof. Miyatake destaca: “Com base em meu conhecimento, ainda não foram desenvolvidas baterias de ar que empreguem eletrodos orgânicos associados a eletrólitos poliméricos sólidos”.
Uma vez que a BARES foi estabelecida, os cientistas procederam a uma avaliação empírica de seu desempenho nos processos de carga e descarga, examinando igualmente suas propriedades em relação à taxa de operação e à capacidade de ciclagem.
Os resultados obtidos revelaram que, diferentemente das baterias de ar convencionais, que empregam um eletrodo negativo de natureza metálica em conjunto com um eletrólito orgânico líquido, a BARES não apresentou degradação quando exposta a ambientes contendo água e oxigênio.
Além disso, a substituição da molécula redox ativa DHBQ por seu análogo polimérico PDBM conduziu à formação de um eletrodo negativo mais eficiente.
A capacidade de descarga por unidade de massa da BARES-DHBQ atingiu 29,7 mAh, enquanto o valor correspondente para a BARES-PDBM foi de 176,1 mAh, considerando uma densidade de corrente constante de 1 mA/cm².
Os pesquisadores também efetuaram observações quanto à eficiência coulômbica da BARES-PDBM, obtendo um valor de 84% a uma taxa de descarga de 4 C, o qual exibiu uma diminuição progressiva para 66% quando submetido a uma taxa de descarga de 101 C.
Nota-se que a capacidade de descarga da BARES-PDBM sofreu uma redução para 44% após a realização de 30 ciclos completos.
Entretanto, mediante a aplicação de um incremento na proporção do polímero condutor de prótons no âmbito do eletrodo negativo, os pesquisadores lograram uma melhoria substancial, elevando essa capacidade para o valor de 78%.
Imagens adquiridas por meio de microscopia eletrônica corroboraram tal aprimoramento, evidenciando que a introdução de Nafion concorreu para um aperfeiçoamento do desempenho e da resistência do eletrodo fundamentado em PDBM.
O presente estudo desvela uma operação exitosa de uma arrojada configuração de bateria recarregável de estado sólido (BARES), cuja estrutura é composta por moléculas orgânicas redox ativas alocadas no eletrodo negativo, um polímero condutor de prótons atuante como eletrólito sólido, além de um eletrodo positivo de redução de oxigênio operando segundo o princípio da difusão.
Nesse contexto, os pesquisadores acalentam a perspectiva de que tais avanços poderão dar azo a futuras conquistas científicas.
O Prof. Miyatake expressa o otimismo quanto ao impacto desses resultados: “A presente tecnologia poderá conferir extensão à longevidade das baterias empregadas em dispositivos eletrônicos portáteis, tais como os smartphones, contribuindo, a longo prazo, para a efetivação de uma sociedade sustentável e livre de emissões de carbono”.
