Condensador azul: água confinada em argila na EPFL desafia as regras

Ninguém mete água dentro de um dispositivo de armazenamento de carga de propósito. Qualquer bateria ou supercondensador é concebido para a manter do lado de fora - a água corrói os eléctrodos, dilui os electrólitos e, no geral, destrói o desempenho. A ideia de base é simples: água e electricidade armazenada não combinam.

Uma equipa de investigadores de uma universidade suíça concluiu, porém, que existe uma excepção. Quando a água fica aprisionada em canais com apenas cerca de 1 nanómetro de largura - no interior de um mineral de argila comum - passa a transportar carga eléctrica por si própria.

Carga sem a química

O dispositivo em causa é uma espécie de supercondensador, parente das baterias, que armazena carga de forma física em vez de a guardar através de reacções químicas. Os autores chamam-lhe condensador azul, desenvolvido na Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça.

O trabalho foi liderado pela professora Aleksandra Radenovic, cujo laboratório na EPFL investiga como a água e os iões se comportam quando são comprimidos em espaços com apenas alguns átomos de largura. O objectivo do grupo era perceber se esse comportamento invulgar poderia alimentar um dispositivo real.

Em supercondensadores e baterias convencionais, o transporte de carga depende frequentemente de sais muito concentrados ou de solventes especiais - componentes que tornam a reciclagem mais complexa e aumentam o custo ambiental. A equipa de Radenovic procurou precisamente o inverso: um sistema com o mínimo possível de materiais.

Carga eléctrica da água na argila

Quando se comprime água num canal com cerca de 1 nanómetro de secção - a largura de apenas algumas moléculas - ela deixa de se comportar como a água num copo. Os protões deslocam-se com maior facilidade e a forma como o meio “segura” carga altera-se.

Estas particularidades têm sido medidas há anos em montagens laboratoriais muito pequenas, e um estudo recente acompanhou a forma como a água confinada transporta carga ao longo de camadas tão finas. O problema é que essas experiências ficaram no domínio microscópico e eram difíceis de transformar em algo prático.

A argila surgiu como solução. Argilas lamelares como a montmorilonite, entre os minerais mais comuns da crosta terrestre, organizam-se em folhas empilhadas que, quando humedecidas, retêm água em intervalos com escala nanométrica.

Construção do condensador azul

Para o fabricar, a equipa empilhou folhas de argila em conjunto com grafeno - uma lâmina de carbono com um átomo de espessura, excelente condutor eléctrico. Os materiais foram depositados por filtração de misturas aquosas através de uma membrana fina, camada a camada.

O filme final é fino e flexível, com uma espessura que não ultrapassa a de um par de folhas de papel. Dois eléctrodos de grafeno-argila “sanduicham” uma camada de argila pura, atravessada por canais com água e com cerca de 1 nanómetro de largura ao longo da estrutura.

O que distingue esta abordagem é que não existe líquido a circular. Não há um reservatório de electrólito líquido, nem um depósito de fluido salgado. Eléctrodos, separador e água transportadora de carga integram uma única estrutura contínua. Até agora, não existia um dispositivo de dimensão completa a funcionar apenas com água confinada.

Protões na água transportam a carga

As evidências apontam para os protões como principais portadores de carga. Trata-se dos núcleos positivos, sem electrões, dos átomos de hidrogénio, que existem em pequenas quantidades na água comum.

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

Não percorrem, contudo, toda a distância como partículas isoladas. Em vez disso, é provável que um protão “salte” de uma molécula de água para a seguinte ao longo da cadeia, transportando carga muito mais depressa do que a própria deslocação das moléculas.

Ao chegarem ao grafeno, a carga acumula-se na interface onde o carbono encontra a água. É aí que a energia fica armazenada.

A equipa confirmou este papel ao adicionar um composto químico que captura protões - o que reduziu acentuadamente a quantidade de carga que o dispositivo conseguia reter.

Argila seca perde a carga

A demonstração mais clara de que a água é essencial veio ao removê-la. Quando as membranas de argila foram secas, a capacidade de armazenamento de carga colapsou, ficando reduzida a uma pequena fracção do valor anterior.

Ao reintroduzir água, o dispositivo voltou a funcionar. Esta reversibilidade indicou aos investigadores que era a água - e não a argila seca em redor - que estava a permitir o armazenamento. Um teste simples, de ligar/desligar.

A equipa também construiu o dispositivo com várias argilas diferentes, cada uma com a sua própria carga de rede cristalina.

Os resultados foram, no essencial, semelhantes, sugerindo que o mineral específico importa menos do que a existência de canais de água com dimensão nanométrica.

Como é o desempenho

O desempenho manteve-se sob utilização exigente. O dispositivo completou mais de 60,000 ciclos de carga e descarga sem desgaste visível, uma durabilidade que esgotaria muitas células convencionais.

Em condições normais, a água divide-se em hidrogénio e oxigénio por volta de 1.23 volts, o que limita o esforço eléctrico num dispositivo baseado em água. No caso da água confinada, a estrutura manteve-se estável até 1.6 volts antes de ocorrer essa degradação, oferecendo maior margem para armazenar energia.

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

A energia alcançada ficou ao nível de supercondensadores comerciais. Segundo uma revisão de arquitecturas de baterias aquosas, essas versões padrão dependem de electrólitos concentrados - componentes de que este dispositivo consegue prescindir.

Rumo a um armazenamento mais limpo

O que este estudo deixa estabelecido é concreto: água retida em canais de argila com 1 nanómetro pode funcionar como o electrólito completo de um dispositivo de armazenamento de energia operacional e de dimensão completa.

Os componentes são baratos e abundantes - argila, grafeno e água. Nada raro, nada que exija refinação dispendiosa. E nenhum deles implica a pegada pesada de mineração associada às células de lítio, tal como discutido num artigo recente.

Por enquanto, trata-se de uma prova de conceito, não de um produto à venda. Ainda assim, oferece aos investigadores um dispositivo funcional - e não apenas uma curiosidade à nanoescala - a partir do qual se pode avançar para armazenamento ligado às renováveis com materiais acessíveis.

Pela primeira vez, esta investigação mostra que um dispositivo de tamanho completo consegue reter carga de uma forma muito diferente.