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QUÍMICA

Criadores de um mundo recarregável

Nobel de Química homenageia três pesquisadores que desenvolveram as baterias de íons lítio, hoje usadas em aparelhos eletrônicos portáteis e carros elétricos

Niklas Elmedhed / Nobel Media

Na manhã desta quarta-feira (9/10), a Academia Real Sueca concedeu o prêmio Nobel de Química de 2019 a três pesquisadores que desempenharam um papel fundamental no desenvolvimento de baterias elétricas recarregáveis. O químico britânico M. Stanley Whittingham, da Universidade Estadual de Nova York em Binghamton, Estados Unidos, o matemático e físico norte-americano John Bannister Goodenough, da Universidade do Texas em Austin, e o químico japonês Akira Yoshino, da Universidade Meijo, dividirão em partes iguais 9 milhões de coroas suecas (R$ 3,7 milhões) por conduzir, nos anos 1970 e 1980, estudos que levaram à criação e à produção comercial das baterias de íons lítio. Hoje essas baterias são amplamente utilizadas: equipam de aparelhos eletrônicos portáteis, como celulares e laptops, a carros elétricos.

“Essas baterias causaram uma mudança dramática em nossa sociedade”, afirmou o químico Olof Ramström, membro do comitê do Nobel, durante o anúncio da premiação. “É muito claro que foram as descobertas feitas pelos três laureados que tornaram isso possível.”

A premiação de hoje já era esperada havia algum tempo. “Goodenough já havia sido indicado outras vezes e imaginava-se que uma hora receberia o Nobel”, conta o químico Roberto Torresi, da Universidade de São Paulo (USP). “As baterias recarregáveis de íons lítio causaram um grande impacto na vida das pessoas e abriram um campo de pesquisas para diversificar as tecnologias de armazenamento de energia”, explica. Além das baterias de íons lítio, hoje estão em desenvolvimento baterias que usam elementos químicos mais abundantes e de mais fácil obtenção na natureza, como o sódio e o magnésio. “Foi um reconhecimento mais do que merecido”, diz o químico Nerilso Bocchi, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). “Praticamente não há pessoa no mundo que não use algum equipamento alimentado por uma bateria de íons lítio”, relata.

Whittingham, de 78 anos, começou a investigar formas inovadoras de armazenar energia nos anos 1970, quando trabalhava na Exxon (atual Exxon Mobil), uma gigante do setor petrolífero. Desde o final da Segunda Guerra Mundial, a produção de veículos movidos a gasolina e diesel crescia no mundo todo, em especial no Ocidente. A percepção progressiva de que o petróleo era um recurso finito foi agravada nos anos 1970 pelas duas crises de fornecimento desse combustível fóssil. Em 1973, os países-membros da Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Opep) quadruplicaram o preço do barril, que chegou a US$ 12. Foi uma retaliação à desvalorização da moeda norte-americana, que afetava a economia do Oriente Médio, e ao apoio ocidental à invasão da Síria e do Egito por Israel. Outra crise internacional sobreveio em 1979 na esteira da Revolução Iraniana, que prejudicou a capacidade de produção do país persa, agravada pela guerra entre Irã e Iraque. Em busca de formas de sobreviver, a indústria petrolífera passou a investir em fontes alternativas de energia e a automobilística, a planejar o desenvolvimento de carros elétricos, que necessitam de baterias capazes de armazenar grande quantidade de energia.

O químico britânico completou a graduação e a pós-graduação na Universidade de Oxford, no Reino Unido, e partiu para um estágio de pós-doutoramento na Universidade Stanford, nos Estados Unidos, onde investigava as características atômicas de materiais sólidos e suas propriedades elétricas. Em 1972, ele e outros expoentes da pesquisa básica em energia foram contratados pela Exxon Research and Engineering Company, o braço de pesquisas da empresa, para desenvolver alternativas ao petróleo. Whittingham e colaboradores aproveitaram-se do fato de o elemento químico lítio (Li) apresentar grande tendência a liberar partículas de carga elétrica negativa (elétrons), um fenômeno essencial para gerar eletricidade. Criado nos primeiros minutos após o Big Bang, a explosão que teria gerado o Universo há 13,8 bilhões de anos, o lítio é o metal mais leve que existe e, em princípio, seria ideal para criar baterias para alimentarem veículos elétricos.

Desde que foram inventadas no século XIX, em consequência do trabalho do físico italiano Alessandro Volta, as baterias são formadas por três partes. Têm um eletrodo (polo) negativo, um eletrodo positivo e um líquido especial separando-os. Esse líquido, chamado eletrólito, contém elementos químicos eletricamente carregados (íons) que transitam de um polo para outro. É assim nas baterias de chumbo ácido, desenvolvidas em 1859 e ainda hoje usadas em carros movidos a combustível, e nas baterias dos celulares.

Durante o trabalho na Exxon, Whittingham percebeu que conseguia produzir uma bateria com grande capacidade de acumular carga se construísse o eletrodo positivo com dissulfeto de tântalo (TaS2), um material que se deposita em lâminas de espessura microscópica. Essa estrutura permitia ao lítio dissolvido no eletrólito e eletricamente carregado – ou seja, na forma de íon – penetrar no dissulfeto de tântalo e se acumular, atraindo elétrons. Como o tântalo é um metal pesado, o grupo da Exxon logo o substituiu pelo dissulfeto de titânio (TiS2), mais leve. Usando como eletrodo negativo um bloco maciço de lítio, que libera elétrons, o químico britânico conseguiu produzir uma bateria capaz de gerar uma diferença de potencial de quase 2 volts (V), mais do que qualquer outra existente à época. Em 1976, ao demonstrar que a bateria poderia ser recarregável, convenceu a direção da empresa a produzir baterias viáveis do ponto de vista comercial.

Havia, no entanto, problemas. Com as recargas, o lítio sólido usado no eletrodo negativo começava a produzir ramificações que alcançavam o eletrodo positivo, causando curtos-circuitos e explosão do eletrólito, que era inflamável. Reduções no preço do petróleo no início dos anos 1980 ajudaram a mudar os rumos e levaram a Exxon a abandonar a tecnologia, licenciada para outras empresas.

Por volta dessa época, John Goodenough, hoje com 97 anos e o mais velho ganhador de um Nobel, estava no Laboratório Lincoln da Força Aérea dos Estados Unidos e se interessou por fontes alternativas de energia. Ele havia trabalhado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), onde colaborou no desenvolvimento das memórias RAM de computadores, e conhecia as baterias de Whittingham. Lá, porém, tinha pouca liberdade para escolher seus objetos de pesquisa. Com sua transferência para o Departamento de Química Orgânica na Universidade de Oxford, Goodenough passou a se dedicar às baterias recarregáveis.

Ele tinha grande conhecimento sobre estrutura de materiais e suspeitou que conseguiria fazer baterias capazes de acumular ainda mais carga se substituísse o dissulfeto de titânio por um óxido. Goodenough orientou sua equipe a estudar óxidos que também se depositassem em lâminas, entre as quais íons lítio poderia penetrar. Teriam, no entanto, de ser materiais que não colapsassem quando os íons fossem removidos. Usando óxido de cobalto e lítio (LiCoO2) no eletrodo positivo, ele e seus colaboradores produziram uma bateria capaz com 4 V, o dobro da voltagem anterior.

“Foi um salto gigantesco no mundo das baterias”, explicou Ramström, que também é professor da Universidade de Massachusetts, nos Estados Unidos. Segundo Bocchi, da UFSCar, o aumento da diferença de potencial foi importante porque é essa propriedade que determina a capacidade de armazenamento de carga de uma bateria.

Enquanto o interesse por carros elétricos diminuía no Ocidente, do outro lado do mundo crescia a necessidade de desenvolver baterias recarregáveis muito leves. Elas eram necessárias para alimentar uma série de equipamentos eletrônicos que começavam a surgir, como câmeras de vídeo digitais, computadores e telefones sem fio. Coube ao químico Akira Yoshino, atualmente com 71 anos, dar o passo seguinte.

Trabalhando na companhia química Asahi Kasei Corporation, no Japão, Yoshino decidiu, a partir da bateria de Goodenough, criar uma que fosse funcional e segura o suficiente para ser comercializada. Sua ideia foi substituir o bloco metálico de lítio (potencial causador de explosões e incêndios) do eletrodo negativo por um material que não apresentasse o problema.

Yoshino trabalhava com compostos poliméricos que contêm o elemento químico carbono em sua estrutura e começou a testar possibilidades. À época já se sabia que o grafite, material composto por carbono e que se deposita em lâminas, podia abrigar cargas elétricas, mas se rompia nas recargas. Yoshino resolveu o problema ao constatar que um subproduto do refino do petróleo, o coque, também rico em carbono, poderia abrigar íons lítio. Substituindo o bloco de lítio por um material polimérico à base de carbono, o pesquisador conseguiu baterias recarregáveis que geravam quase a mesma diferença de potencial de 4 V. Em 1991, a empresa japonesa Sony começou a comercializar as primeiras baterias de íons lítio recarregáveis, levando a uma redução de tamanho dos componentes eletrônicos. “O trabalho de Yoshino tornou as baterias mais leves e seguras”, afirma Bocchi.

As primeiras baterias desse tipo ainda geravam corrente elétrica de baixa intensidade e serviam para fazer funcionar apenas equipamentos eletrônicos de pequeno porte. “Nos últimos 20 anos, o desenvolvimento de materiais estruturados em escala nanométrica permitiu a redução do tamanho das partículas dos componentes dos eletrodos e o aumento da corrente gerada pelas baterias, atualmente capazes de alimentar carros elétricos”, conta Torresi, da USP. Baterias recarregáveis e com maior capacidade de carga são importantes também para armazenar a energia renovável de fontes intermitentes, como a gerada pelo sol, pelos ventos ou pelas marés. “As formas alternativas de produção de energia que não são constantes têm de estar associadas a baterias”, diz Torresi.

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