Por Kevin Clemens
28 de outubro de 2024, 16:19 (Duração da leitura: 4 minutos)
As Baterias de Lítio-Dióxido de Carbono Podem Ser Alimentadas pela Atmosfera Marciana?
As baterias de íon de lítio tornaram-se a forma mais amplamente aceita de alimentar desde telefones celulares até veículos elétricos e sistemas de backup de energia em redes elétricas. Tipicamente, essas baterias utilizam óxidos metálicos (como óxido de níquel e cobalto) como material do cátodo (eletrodo positivo). A reação envolve a intercalação/desintercalação de íons de lítio na estrutura do cátodo para armazenar e liberar energia elétrica.
Embora o lítio seja relativamente comum e seu preço tenha diminuído significativamente na última década, várias tecnologias emergentes de baterias prometem alternativas interessantes. As baterias de sódio-íon, por exemplo, são semelhantes em estrutura às de íon de lítio, mas utilizam íons de sódio para transportar a carga entre o cátodo e o ânodo (eletrodo negativo).
Legenda: Imagem cortesia da NASA.
Utilizando Dióxido de Carbono
Uma tecnologia emergente que tem despertado interesse é a bateria de lítio-dióxido de carbono (Li-CO₂), que combina armazenamento de energia com captura e utilização de dióxido de carbono. O ânodo da bateria Li-CO₂ é feito de lítio metálico, enquanto o cátodo é geralmente composto por um material de carbono poroso. O eletrólito, que transfere íons entre os eletrodos, é um líquido orgânico.
A bateria Li-CO₂ opera por meio de uma reação eletroquímica reversível envolvendo lítio e dióxido de carbono. Durante a descarga, ocorre a reação:
4Li + 3CO₂ → 2Li₂CO₃ + C
Nesta reação, íons de lítio do ânodo viajam através do eletrólito até o cátodo, onde reagem com o CO₂ para formar carbonato de lítio (Li₂CO₃) e carbono sólido. Esse processo gera energia elétrica e, ao mesmo tempo, captura e converte o CO₂.
Durante o carregamento, a reação é revertida:
2Li₂CO₃ + C → 4Li + 3CO₂
Neste estágio, o carbonato de lítio se decompõe, liberando íons de lítio que retornam ao ânodo e CO₂, embora algum carbono possa permanecer no cátodo.
Em um relatório de 2019, pesquisadores da Universidade de Illinois em Chicago foram os primeiros a mostrar que as baterias de lítio-dióxido de carbono poderiam ser projetadas para operar de maneira totalmente recarregável.
Legenda: Imagem cortesia do MIT.
Explicação de Siglas:
- Li-CO₂: Lítio-Dióxido de Carbono.
- CO₂: Dióxido de Carbono, gás amplamente presente na atmosfera marciana.
Densidade Energética e Promessas
As baterias Li-CO₂ têm uma densidade energética teórica de 1.876 Wh/kg, aproximadamente sete vezes maior que as baterias convencionais de íon de lítio. Durante a descarga, a bateria pode capturar e converter CO₂ em formas sólidas (Li₂CO₃ e carbono sólido), proporcionando uma funcionalidade dupla que pode ajudar a reduzir os níveis de dióxido de carbono na atmosfera.
No entanto, ainda existem vários desafios. Produtos de descarga acumulados, como o carbono, podem levar à falha rápida da bateria, embora pesquisas recentes tenham demonstrado até 500 ciclos consecutivos de carga/descarga. A conversão do CO₂ é energeticamente exigente, requerendo catalisadores eficientes para melhorar as taxas de reação. Encontrar eletrólitos estáveis, capazes de suportar o ambiente reativo, é crucial para o desempenho a longo prazo. Pesquisas em andamento estão focadas no desenvolvimento de materiais de cátodo avançados, eletrólitos e catalisadores, como dissulfeto de molibdênio (MoS₂), para superar esses desafios e melhorar a performance e a viabilidade prática das baterias Li-CO₂.
Baterias Para Funcionarem em Marte?
A atmosfera de Marte é composta por aproximadamente 95,32% de dióxido de carbono (CO₂), o que proporciona uma fonte de combustível abundante para as baterias de lítio-dióxido de carbono (Li-CO₂). Essa alta concentração de CO₂ faz de Marte um ambiente ideal para essas baterias, que podem utilizar diretamente os gases atmosféricos para armazenamento e geração de energia.
De maneira geral, Marte é um lugar bastante inóspito. Sua atmosfera é composta por:
- 95,32% de dióxido de carbono (CO₂)
- 2,7% de nitrogênio (N₂)
- 1,6% de argônio (Ar)
- 0,13% de oxigênio (O₂)
- 0,08% de monóxido de carbono (CO)
Além disso, Marte possui flutuações extremas de temperatura entre o dia e a noite, de cerca de 60°C, o que torna o desafio de manter um sistema energético ainda maior.
Benefícios das Baterias Li-CO₂ em Marte
As baterias de Li-CO₂ podem ser atrativas como um sistema de armazenamento de energia eficiente para missões de longa duração em Marte, de várias maneiras:
- Alta densidade energética: Essas baterias oferecem uma densidade energética teórica até sete vezes maior que as baterias convencionais de íon de lítio. Isso é crucial para missões espaciais, onde peso e volume são fatores determinantes.
- Fornecimento contínuo de energia: Quando combinadas com a coleta de energia solar na superfície marciana, as baterias Li-CO₂ poderiam fornecer uma fonte de energia confiável e renovável para missões prolongadas.
- Resiliência a temperaturas: O sistema de baterias demonstrou operação eficiente mesmo em baixas temperaturas (0°C), o que é importante considerando o clima frio de Marte.
- Operação prolongada: Testes demonstraram que essas baterias podem alcançar um ciclo de vida de carga/descarga de 1.375 horas, equivalente a cerca de dois meses de operação contínua em Marte.
Desafios a Serem Superados
Embora promissoras, há diversos desafios que precisam ser superados. A temperatura média na superfície de Marte é cerca de -65°C, o que pode impactar significativamente o desempenho da bateria. À medida que a temperatura diminui, a viscosidade do eletrólito aumenta, reduzindo potencialmente a taxa de utilização do CO₂ no cátodo.
A pressão atmosférica baixa em Marte, em comparação com a Terra, também pode afetar o desempenho da bateria, exigindo soluções de engenharia adicionais. Outros aspectos do ambiente marciano, como tempestades de poeira e radiação, podem apresentar desafios para a durabilidade a longo prazo da bateria, requerendo mais estudos.
Simulações na China
Pesquisadores do Departamento de Ciência Térmica e Engenharia de Energia da Universidade de Ciência e Tecnologia da China publicaram um artigo no Science Bulletin detalhando sua prova de conceito para a aplicação de baterias de lítio-dióxido de carbono em ambientes marcianos.
Legenda: Imagem cortesia da Universidade de Ciência e Tecnologia da China.
Quando exposta a uma atmosfera realista de Marte, a bateria exibiu uma densidade energética de 373,9 Wh/kg, com uma vida útil de ciclo de 1.350 horas, mesmo operando a 0°C. Foi desenvolvida uma bateria do tipo pouch com tamanho de 2 cm × 2 cm, e densidade energética a nível de célula de até 765 Wh/kg e 630 watt-horas/litro (Wh/L) foram medidas sob condições de Marte. Também foi descoberto que pequenas quantidades de oxigênio e monóxido de carbono presentes na atmosfera de Marte atuaram como catalisadores de reação, acelerando a cinética de conversão do dióxido de carbono.
Potencial de Uso das Baterias Li-CO₂ em Marte
Devido ao seu desempenho eletroquímico e sua adaptabilidade ao ambiente marciano, as baterias de lítio-dióxido de carbono apresentam grande potencial como a próxima geração de fontes de energia em Marte.
Potencial Aplicação das Baterias Li-CO₂ em Missões Espaciais
As baterias de lítio-dióxido de carbono (Li-CO₂) são especialmente promissoras para o uso em missões de exploração espacial devido às suas características de alta densidade de energia e à possibilidade de capturar dióxido de carbono como parte do processo de geração de energia. Isso é particularmente relevante em Marte, onde o CO₂ é abundante e pode ser utilizado diretamente pelas baterias.
A ideia de utilizar a atmosfera marciana como “combustível” é revolucionária, pois reduz a dependência de transportar recursos da Terra, o que sempre é um grande desafio logístico em missões espaciais. Ao converter o CO₂ em compostos sólidos, como o carbonato de lítio (Li₂CO₃) e carbono, as baterias Li-CO₂ podem não apenas fornecer energia, mas também contribuir para a redução dos níveis de dióxido de carbono do ambiente marciano.
Catalisadores e Avanços Tecnológicos
Um dos principais desafios que as baterias Li-CO₂ enfrentam é o acúmulo dos produtos de descarga, como o carbono sólido, que pode levar ao rápido esgotamento da bateria. Estudos recentes focam no desenvolvimento de catalisadores eficientes que podem acelerar a conversão do CO₂ e reduzir o impacto do acúmulo de subprodutos. Catalisadores como o dissulfeto de molibdênio (MoS₂) têm mostrado potencial na aceleração da reação e na melhoria da durabilidade do sistema.
Outros avanços importantes estão na busca por eletrólitos estáveis que consigam suportar o ambiente reativo da bateria. Esses eletrólitos precisam ser capazes de resistir ao impacto corrosivo do CO₂, garantindo uma vida útil mais longa e uma maior eficiência energética.
Explicação de Siglas:
- MoS₂: Dissulfeto de molibdênio, um composto utilizado como catalisador para melhorar a eficiência das reações químicas.
- Wh/kg: Watt-hora por quilograma, uma medida de densidade energética que indica quanta energia pode ser armazenada em um determinado peso.
- Wh/L: Watt-hora por litro, uma medida de densidade volumétrica de energia que indica a quantidade de energia por volume.
Provas de Conceito e Futuras Aplicações
As simulações feitas por pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China mostraram que as baterias Li-CO₂ podem ser adaptadas para as duras condições de Marte, e também destacaram o papel dos gases traços da atmosfera marciana, como o oxigênio e o monóxido de carbono, como catalisadores naturais. Estes elementos não apenas aceleraram a cinética de conversão do dióxido de carbono, mas também possibilitaram uma operação mais eficiente da bateria, com uma densidade energética elevada.
Imagem 5: Representação gráfica do processo de conversão do CO₂ nas baterias Li-CO₂.
Legenda: Detalhamento da conversão eletroquímica do CO₂ para armazenamento de energia.
As pesquisas indicam que, embora os desafios tecnológicos ainda existam, há um grande potencial para adaptar essas baterias em missões de longa duração, particularmente aquelas que envolvem exploração planetária onde o CO₂ está disponível em abundância, como Marte.
Conclusão
As baterias de lítio-dióxido de carbono representam uma promissora inovação para a exploração espacial, com o potencial de transformar a forma como se armazena e gera energia fora da Terra. A possibilidade de utilizar a própria atmosfera de Marte para alimentar essas baterias representa uma solução eficaz tanto para reduzir a carga de recursos transportados a partir da Terra, quanto para oferecer uma forma contínua e renovável de energia para missões futuras.
Embora existam desafios consideráveis a serem superados — como o desenvolvimento de eletrólitos mais estáveis e catalisadores mais eficientes, além de adaptações ao ambiente hostil marciano —, os avanços recentes indicam que estamos no caminho certo para tornar esta tecnologia uma realidade viável. A aplicação de baterias Li-CO₂ em Marte pode não apenas fornecer energia essencial, mas também ajudar a resolver os desafios do CO₂ no ambiente do planeta, oferecendo uma tecnologia de múltiplos benefícios para o futuro da exploração espacial.
Resumo:
Este artigo detalha a tecnologia emergente das baterias de lítio-dióxido de carbono, suas vantagens para missões espaciais, em particular em Marte, e os desafios ainda enfrentados. A possibilidade de capturar e converter o dióxido de carbono da atmosfera de Marte faz dessas baterias uma promissora solução para futuras missões de exploração e colonização do planeta vermelho.
Original: https://eepower.com/tech-insights/mars-power-solution-all-about-lithium-carbon-dioxide-batteries/