Transformar resíduos vegetais em baterias seguras da próxima geração

O hidrogel à base de plantas domina as dendrites de zinco e faz com que as baterias aquosas ultrapassem os 1 000 ciclos estáveis

Chemeurope

As baterias aquosas de iões de zinco prometem um armazenamento de energia seguro e de baixo custo, mas o zinco metálico cria dendritos semelhantes a agulhas que provocam curto-circuitos nas células em poucas centenas de ciclos. Agora, um hidrogel puramente derivado de plantas parece resolver o problema sem recorrer a aditivos tóxicos ou a cerâmicas dispendiosas.

A equipa dissolveu a celulose microcristalina num banho de gelo de álcali/ureia e, em seguida, uniu o polímero com bórax para formar a rede primária. Neste suporte, incorporaram nanofibras de celulose oxidadas com TEMPO - fios semelhantes a fitas com 3 nm de espessura e centenas de nanómetros de comprimento que contêm grupos carboxilo densos. As nanofibras actuam como vergalhões mecânicos e vias de expressão iónicas: simulações de dinâmica molecular mostram que a difusão de Zn2+ ao longo do compósito atinge 4,59 × 10-4 m2 s-1, quase o dobro da celulose simples.

Os testes mecânicos revelam que a película optimizada - com apenas 1 mm de espessura - atinge uma resistência à tração de 0,57 MPa após imersão em 2 M de ZnSO4, quatro vezes mais resistente do que o controlo apenas com celulose, mas ainda 62% transparente. Células simétricas de Zn//Zn submetidas a ciclos de 0,5 mA cm-2 sobrevivem 1 100 h sem queda súbita de tensão, enquanto os separadores comerciais de fibra de vidro falham ao fim de 120 h. Mesmo a 10 mA cm-2 o hidrogel resiste 650 h, e um teste em forno a 45 °C mostra uma vida quatro vezes mais longa do que a referência líquida.

Quando emparelhadas com um cátodo de V2O5 pré-tratado com NaCl, as células completas fornecem 237 mAh g-1 a 0,2 A g-1 e mantêm 79,9% da sua capacidade após 1 000 ciclos a 1 A g-1; os electrólitos líquidos diminuem para 69,4%. As imagens AFM post-mortem mostram que a superfície de zinco protegida permanece lisa (Ra ≈ 52 nm), enquanto que a contraparte líquida desenvolve nódulos dendríticos rugosos (Ra ≈ 108 nm).

Crucialmente, o material foi concebido para o fabrico no mundo real. Todos os ingredientes - celulose em pó, polpa de bambu, bórax e ZnSO4 - são produtos químicos de base e o gel pode ser moldado em rolos, como no fabrico de papel. Os custos mostram que 1 cm2 do bio-gel custa apenas 8% de um separador de fibra de vidro comercial, enquanto a digestão da celulase o elimina em quatro horas, oferecendo uma via de fim de vida que as membranas convencionais não possuem.

As células de bolsa flexíveis construídas com o eletrólito continuam a alimentar um temporizador quando dobradas a 90° sob um peso de 2 kg, sugerindo utilizações em vestuário ou em têxteis electrónicos. Os autores afirmam que a mesma química de reticulação deve funcionar com sais de sódio ou alumínio, alargando potencialmente os dividendos da sustentabilidade a outras químicas pós-lítio.

Com as agências de financiamento na China a apoiarem ensaios de aumento de escala, o hidrogel de celulose parece pronto a sair do laboratório e a entrar nas linhas de revestimento piloto - transformando abundantes resíduos vegetais no guardião silencioso das baterias seguras da próxima geração.

| Fonte: Chemeurope 14 Janeiro 2025