Um átomo de hidrogênio privado de um elétron torna-se um próton, um íon ou partícula com carga positiva. Esta é a partícula com carga positiva mais leve e móvel do Universo, com base na qual é possível criar uma bateria mais espaçosa e poderosa do que a de íons de lítio. Portanto, os cientistas enfrentam a tarefa de desenvolver eletrodos melhores – ânodos e cátodos – para baterias de prótons, a fim de abandonar gradualmente o uso de lítio raro, caro e perigoso para o fogo.
Fonte da imagem: UNSW Química
Pesquisadores da Austrália, representando o Departamento de Química da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW Chemistry) e a Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO), desenvolveram e testaram com sucesso um material orgânico capaz de armazenar prótons e o usaram para criar uma bateria recarregável de prótons em laboratório.
Como observam os cientistas, no mundo moderno não existem ânodos e cátodos com características adequadas para uso em baterias de prótons. Para o seu desenvolvimento, tomaram como base o composto tetraclorobenzoquinona (TCBQ), que inclui quatro grupos cloro. Este composto consiste em moléculas leves, mas possui uma faixa de potencial redox medíocre. Para uma bateria, o potencial redox do ânodo deve ser o mais negativo possível para melhorar a transferência de elétrons, e o cátodo deve ser o mais positivo possível. Assim, o TCBQ puro não era adequado e a sua estrutura teve que ser modificada.
Durante os experimentos, os cientistas substituíram quatro grupos cloro por quatro grupos amino, transformando o TCBQ em uma molécula de tetraaminobenzoquinona (TABQ). A adição de grupos amino melhorou significativamente a capacidade do ânodo de armazenar prótons e reduziu sua faixa de potencial redox. Sintetizar o TABQ continua caro hoje, mas o uso de grandes quantidades de elementos leves tornará o desenvolvimento econômico no futuro.
«“Criamos um novo material de baixo peso molecular e com grande capacidade de armazenamento de prótons”, afirmam os autores do estudo. “Usando este material, desenvolvemos com sucesso uma bateria de prótons totalmente orgânica que é eficaz tanto em temperatura ambiente quanto em temperaturas abaixo de zero.”
O protótipo da bateria de prótons resistiu a 3.500 ciclos de carga total seguido de descarga completa da capacidade. Também demonstrou alta capacidade e desempenho estável em condições frias, tornando-se uma solução promissora para armazenamento de energia renovável.
«O eletrólito de uma bateria de íons de lítio consiste em um sal de lítio e um solvente que é altamente inflamável e causa sérias preocupações, escrevem os autores. “No nosso caso, os dois eletrodos são feitos de moléculas orgânicas e existe uma solução aquosa entre eles, o que torna nossa bateria leve, segura e acessível.”
Por fim, o novo material resolve o problema do transporte seguro de hidrogênio. O hidrogênio molecular é quimicamente ativo, enquanto na forma de íons está em uma forma estável. O material rico em prótons pode ser transportado com segurança para o local desejado, sem medo de vazamentos de hidrogênio.