O dióxido de titânio (TiO2) pode desempenhar um papel vital no desenvolvimento da próxima geração de baterias recarregáveis.

As baterias são o futuro. Desde o aumento dos veículos elétricos até o armazenamento de energia em uma escala de grade, para permitir a mudança para uma potência mais renovável, a unidade para baterias melhores e mais duradouras nunca foi maior.

Criar baterias tão duradouras com maior capacidade não é direto e permanecem vários problemas a serem superados. Embora longe de ser uma solução pronta para uso comercial, a pesquisa mostrou que o dióxido de titânio poderia desempenhar um papel importante no futuro das baterias, em particular as recarregáveis.

Baterias de íons de lítio

A maioria das baterias usadas para armazenar grandes quantidades de energia ou projetadas para serem recarregadas são baterias de íons de lítio.

Essas baterias armazenam e liberam energia movendo íons entre as 'extremidades' negativas e positivas (eletrodos) através de um produto químico chamado eletrólito. Quando você carrega a bateria, os íons se movem em direção ao eletrodo negativo. Quando a bateria está sendo usada, os íons fluem em direção ao eletrodo positivo, gerando uma corrente elétrica.

Nas baterias normais, o processo que ocorre para gerar uma carga elétrica só pode acontecer de uma vez e em uma direção. Nas baterias de íons de lítio recarregáveis, no entanto, o processo químico é reversível para permitir que a bateria seja usada novamente.

Por que dióxido de titânio?

Desde a substituição dos eletrodos em novas baterias, até acelerar o processo de carregamento, o dióxido de titânio (TiO2) tem se mostrado útil de várias maneiras.

"Existem alguns recursos sobre o TiO2 que são úteis para baterias recarregáveis", diz o professor Colm O'Dwyer, da Universidade de Cork, Irlanda, que conduziu pesquisas sobre o tópico.

“Primeiro, permite uma reação reversível com o lítio que é relativamente estável em comparação com a grafite contendo lítio encontrada em vários eletrólitos de bateria. Como pode pedalar por muito tempo, é concebível que seja de alguma maneira a reduzir a necessidade de reciclagem de baterias. ”

A capacidade de recarregar as baterias é cada vez mais importante para o crescente número de dispositivos móveis e eletrônicos que estão sendo usados e também na mudança para formas renováveis de energia, onde a produção variável de energia solar ou eólica pode ser suavizada através do armazenamento eficiente de energia.

Baterias de nanotubos

Em 2015, uma equipe de pesquisadores da Nanyang Technology University (NTU) de Cingapura desenvolveu um método para transformar nanopartículas de dióxido de titânio em nanotubos por agitação. Esses pequenos tubos, um milésimo da largura de um cabelo humano, são criados por um método de agitação que alonga as partículas em uma forma de tubo.

Um gel contendo os nanotubos foi colocado no eletrodo negativo de uma bateria de íons de lítio, em vez da grafite tradicional. Isso acelerou a reação química no eletrólito, criando uma bateria que pode ser recarregada para 70 % de sua capacidade em apenas dois minutos, com uma vida útil esperada de 20 anos. Isso significa que o desperdício de baterias pode ser dramaticamente reduzido.

À medida que as baterias são usadas, os materiais começam a se separar; É isso que causa a redução no desempenho. Mas, como o professor O'Dwyer e sua equipe descobriram em 2015, quando uma versão porosa do dióxido de titânio foi adicionada a uma bateria de íons de lítio, os materiais da bateria permaneceram intactos após carregar e descarregar mais de 5.000 vezes.

"Esse arranjo 3D de nanopartículas da fase rutilo do dióxido de titânio é chamado de 'opala inversa' e é formado por preencher opalas artificiais feitas no laboratório com o material ativo da bateria", diz o professor O'Dwyer.

“As estruturas opalas inversas são naturalmente encontradas na natureza. Essas estruturas periodicamente porosas compõem as partes coloridas e iridescentes das asas de borboletas, penas de pavões, as estruturas exo-esqueléticas dos gorgulhos e o rato do mar, para citar alguns. ”

Em uma bateria, a versão porosa do dióxido de titânio é condutora, sem a necessidade de aditivos atualmente usados em eletrodos de bateria comercial.

Além disso, o lítio reage eficientemente com a estrutura porosa, o que significa que a bateria recarrega rapidamente.

As baterias de lítio que contêm TiO2 podem ser chamadas de baterias de íons de lítio à base de titanato de lítio (LTO). Além das melhorias de carregamento e da vida útil mais longa, as baterias de lítio baseadas em LTO também são mais seguras, pois os constituintes da bateria são mais estáveis.

Além do lítio

Mas não se trata de íons de lítio.

Quando um íon de lítio segue de um eletrodo para o outro, um elétron é transferido. No entanto, os pesquisadores começaram a experimentar outros metais, conhecidos como metais multivalentes, nos quais dois ou mais elétrons são transferidos para cada íon. A natureza mais eficiente da reação pode aumentar o armazenamento de bateria em duas ou três vezes.

O único problema é descobrir que tipo de materiais deve ser usado para os componentes dessas baterias.

Pesquisa publicada em setembro de 2015, por uma equipe, incluindo o Dr. Benjamin Morgan, do Departm