Capacitor azul da EPFL: água confinada em argila armazena carga

Ninguém coloca água, de propósito, dentro de um dispositivo de armazenamento de carga. Toda bateria ou supercapacitor é projetado para mantê-la do lado de fora - a água corrói eletrodos, dilui eletrólitos e, no geral, destrói o desempenho. A ideia padrão sempre foi que água e eletricidade armazenada não se combinam.

Pesquisadores de uma universidade suíça, porém, encontraram uma exceção a essa regra. Quando a água fica aprisionada em canais com pouco mais de um nanômetro de largura - dentro de um mineral de argila comum - ela passa a transportar carga elétrica por conta própria.

Carga sem a química

O dispositivo é um tipo de supercapacitor, parente das baterias que guarda carga de forma física, em vez de depender de reações químicas. Os autores o chamam de capacitor azul, desenvolvido na Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL).

A professora Aleksandra Radenovic, cujo laboratório na EPFL investiga como água e iões se comportam quando comprimidos em espaços com apenas alguns átomos de largura, liderou o trabalho. O objetivo do grupo era testar se esse comportamento incomum poderia alimentar um dispositivo real.

Supercapacitores e baterias convencionais costumam depender de sais concentrados ou de solventes especiais para movimentar carga - componentes que dificultam a reciclagem e aumentam o custo ambiental. A equipa de Radenovic buscou o caminho oposto: o mínimo possível de materiais.

Carga da água em argila

Quando a água é comprimida dentro de um canal com cerca de um nanômetro de largura - algo como poucas moléculas lado a lado - ela deixa de agir como a água em um copo. Os protões atravessam esse ambiente com mais facilidade, e a forma como a água “segura” carga também muda.

Físicos medem essas particularidades há anos com montagens laboratoriais minúsculas, e um estudo recente acompanhou como a água confinada conduz carga ao longo de camadas tão finas. O problema é que esses arranjos permaneciam microscópicos e difíceis de transformar em algo prático.

A argila abriu uma saída. Argilas em camadas, como a montmorilonita - entre os minerais mais comuns da crosta terrestre - se empilham em folhas que, ao serem molhadas, prendem água em fendas com largura na escala de nanômetros.

Construindo o capacitor azul

Para montar o dispositivo, a equipa empilhou folhas de argila junto com grafeno, uma lâmina de carbono com um átomo de espessura e alta condução elétrica. Os materiais foram depositados por filtração de misturas aquosas através de uma membrana fina, camada por camada.

O filme final fica fino e flexível, com espessura semelhante à de duas folhas de papel. Dois eletrodos de grafeno-argila “sanduicham” uma camada de argila pura, e canais cheios de água, com cerca de um nanômetro de largura, atravessam todo o empilhamento.

A diferença central é que nada fica “chacoalhando” ali dentro. Não há poça de eletrólito líquido, nem reservatório com fluido salgado. Eletrodos, separador e a água que transporta carga formam uma estrutura contínua. Até aqui, nenhum dispositivo em tamanho real havia funcionado usando apenas água confinada.

Protões na água carregam a carga

As evidências apontam os protões como os principais portadores de carga. Eles são os núcleos positivos, sem eletrões, de átomos de hidrogénio - presentes em quantidades traço na água comum.

Quando se aplica uma tensão ao longo do filme, esses protões se deslocam pelos canais de água em direção aos eletrodos.

Eles não percorrem todo o caminho como partículas isoladas. Em vez disso, é provável que um protão “salte” de uma molécula de água para a próxima ao longo da cadeia, transportando carga muito mais rapidamente do que as próprias moléculas conseguiriam se mover.

Ao alcançar o grafeno, a carga se acumula na interface onde o carbono encontra a água. É ali que a energia fica armazenada.

A equipa confirmou esse papel ao adicionar um composto químico que “captura” protões - o que reduziu de forma acentuada a quantidade de carga que o dispositivo conseguia reter.

Argila seca perde a carga

A demonstração mais clara de que a água é quem faz o trabalho veio quando ela foi removida. Ao secarem as membranas de argila, a capacidade de armazenamento de carga despencou, caindo para uma fração mínima do valor anterior.

Quando a água foi recolocada, o dispositivo voltou a funcionar. Essa reversão indicou aos pesquisadores que era a água, e não a argila seca ao redor, que estava realizando o armazenamento - um teste simples de liga-desliga.

Eles também construíram o dispositivo com várias argilas diferentes, cada uma com sua própria carga de rede cristalina.

No geral, os resultados foram semelhantes, sugerindo que o mineral específico importa menos do que a presença daqueles canais de água com largura de nanômetros.

Como ele se sai

O desempenho se manteve mesmo sob uso pesado. O dispositivo completou mais de 60,000 ciclos de carga e descarga sem desgaste visível, um nível que esgotaria muitas células convencionais.

Em condições normais, água pura se divide em hidrogénio e oxigénio por volta de 1.23 volts, o que limita o quanto um sistema à base de água pode ser exigido. Já a água confinada permaneceu estável até 1.6 volts antes de iniciar essa degradação, abrindo mais margem para armazenar energia.

O sistema devolveu cerca de 97% da carga que recebeu, um valor próximo do limite superior para esse tipo de dispositivo.

O desempenho energético ficou no nível de supercapacitores comerciais. Em versões padrão, segundo uma revisão sobre projetos de baterias aquosas, esse resultado costuma depender de eletrólitos concentrados - ingredientes dos quais este dispositivo consegue prescindir.

Rumo a um armazenamento mais limpo

O que este estudo demonstra de forma concreta é que água presa em canais de argila com um nanômetro pode atuar como o eletrólito completo de um dispositivo funcional, em tamanho real, para armazenar energia.

Os componentes são baratos e abundantes - argila, grafeno e água. Nada raro, nada que exija refino caro. E nenhum deles carrega a pesada pegada de mineração associada às células de lítio, como discutido em um artigo recente.

Por enquanto, trata-se de uma prova de conceito, não de um produto à venda. Ainda assim, oferece aos pesquisadores um dispositivo realmente operacional - e não apenas uma curiosidade de nanoescala - para avançar rumo a armazenamento renovável feito com materiais que qualquer um pode obter.

Pela primeira vez, esta pesquisa mostra que um dispositivo em escala real pode reter carga de um jeito muito diferente.