Uma equipa liderada pelo professor Frank Crespilho, do Grupo de Bioeletroquímica e Interfaces do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP), desenvolveu uma nova arquitetura de bateria que conseguiu, pela primeira vez, em suas palavras, “domar” o comportamento químico instável do nióbio, permitindo a sua aplicação prática em células de armazenamento de alta densidade energética.
Potencialmente, essa tecnologia pode substituir as baterias de íon de lítio que equipam carros elétricos e sistemas estacionários de energia atualmente. O dispositivo já teve a patente depositada e agora a USP pretende estudar como escalonar sua produção industrialmente.
O que é o nióbio
Talvez alguém se lembre da palavra “nióbio” como um quase meme de um governo anterior, dada a empolgação de seu mandatário com o ele, aparecendo numa live com joias de nióbio. Ainda que seu uso atual seja marginal, o potencial é real – e o interesse em desenvolvê-lo é principalmente do Brasil.
Nióbio (Nb) é um elemento químico do qual o país tem quase o monopólio, controlando 70% de sua produção mundial. Ele é separado a partir de minério de ferro rico no elemento, minerado em Araxá (MG). O maior uso do nióbio é com ligas de aço, inclusive superligas usadas na indústria espacial, mas a aplicação em tecnologias eletrônicas é um ramo emergente. É um metal preciso quase tão caro quanto o ouro, mas a quantidade usada nessas ligas é mínima, então a demanda e produção são relativamente baixas.
“Abundante no Brasil, o nióbio é um metal de transição estratégico, com a capacidade singular de acessar múltiplos estados de oxidação, podendo trocar até cinco elétrons”, afirma o professor Frank Crespilho, do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP, coordenador da pesquisa. “Do ponto de vista eletroquímico, isso representa um potencial energético muito elevado. Por esse motivo, o nióbio vem sendo pesquisado há anos no contexto de baterias de lítio, geralmente como aditivo, mas não como o elemento ativo central do armazenamento de energia.”
Até hoje, o uso do nióbio em baterias esbarrava em limitações físicas severas. Embora o metal tenha uma capacidade teórica enorme de armazenar elétrons, na prática, os materiais à base de nióbio sofriam com baixa condutividade elétrica e instabilidade mecânica. Ao ser carregado e descarregado, o material expandia e contraía, degradando a bateria em poucos ciclos.
A solução encontrada pelos brasileiros foi mudar a abordagem. Em vez de forçar o metal a funcionar em estruturas convencionais, eles criaram um novo material do zero.
“Em vez de tentar ‘domar’ o nióbio à força, criamos um microambiente artificial inspirado na biologia, capaz de cooperar com o metal, estabilizar seus estados de oxidação e permitir sua operação reversível”, explica o pesquisador Frank Crespilho. “Esse princípio foi central para viabilizar a primeira bateria genuinamente baseada em nióbio, e não apenas em combinações de nióbio com outras químicas convencionais.”
Para resolver o problema, os cientistas não tentaram forçar o metal. Em vez disso, inspiraram-se na biologia — especificamente em enzimas e proteínas que gerenciam metais no corpo humano sem degradá-los.
O segredo não está no nióbio, mas fora
A equipe criou um “microambiente artificial” composto por duas camadas tecnológicas inéditas. O NB-RAM é uma arquitetura que funciona como uma “caixa de proteção química”, que envolve o nióbio e controla a sua coordenação e atividade, impedindo que ele oxide de forma destrutiva. O N-MER é um mecanismo eletrônico-redox que atua como um regulador fino e gerencia a entrada e saída dos elétrons, permitindo que o fluxo de energia seja estável e reversível.
“O que fizemos foi criar o ambiente certo, o ‘estúdio’ adequado, onde esse guitarrista pode tocar no limite do seu potencial sem destruir o sistema”, explica o pesquisador. “Ao controlar o ambiente químico ao redor do nióbio, ele passa a operar de forma previsível, reversível e estável, permitindo que finalmente assuma o papel principal em uma bateria, algo que os sistemas eletroquímicos clássicos nunca conseguiram fazer.”
Segundo o pesquisador, os testes já demonstraram a viabilidade com múltiplos ciclos de recarga, e tem maior densidade que as baterias de íon de lítio (o número exato não foi mencionado.)
“Soberania Tecnológica”
O professor Crespilho entenda sua pesquisa como uma questão de interesse nacional: “Se olharmos a história das baterias de lítio, houve um longo intervalo entre a ciência fundamental, o reconhecimento do potencial tecnológico e a consolidação industrial, período em que muitos países perderam a oportunidade de capturar valor estratégico, ficando apenas como fornecedores de matéria-prima”. Segundo ele, o caminho pode ser mais curto com o nióbio, porque os mesmos pesquisadores (eles) já estão trabalhando na integração industrial.
“Em seguida, avançamos simultaneamente em engenharia de materiais, escalonamento industrial e validação em protótipos avançados, com testes de durabilidade, segurança e padronização compatíveis com linhas industriais existentes”, salienta Crespilho. “A ciência fundamental está feita; agora a prioridade é transformar rapidamente conhecimento em tecnologia, mantendo o controle nacional da inovação desenvolvida na USP e assegurando que o nióbio gere valor tecnológico, industrial e geopolítico para o Brasil.”
Para a próxima fase, o grupo busca parcerias industriais para escalar a produção do material e validar a tecnologia em células de formato comercial (como as cilíndricas ou prismáticas usadas em veículos).
Via: USP
