17/10/2019

Um Nobel que todos sabem para que serve

Popularidade das baterias de lítio ajudam a levar a química de base ao público leigo

Se você sempre teve dificuldade para explicar a tios e sobrinhos o que faz trancafiado num laboratório o dia inteiro, o Prêmio Nobel de Química de 2019 vai te ajudar. Afinal, a bateria de íons lítio tornou-se uma estrela do mundo da tecnologia contemporânea, é conhecida por todos os usuários de telefones celulares e tantos outros aparatos indispensáveis às pessoas.

Quatro décadas depois dos primeiros artigos publicados, quando ainda nem havia telefones celulares no mercado, e duas depois de dar os primeiros passos no mercado, ela ganhou a mais alta distinção da Química. John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino dividem os louros e os US$ 910 mil (leia mais). A soma do trabalho dos três conectou as bases da eletroquímica às demandas contemporâneas por energia portátil e deu à humanidade a bateria de íons lítio.

"O primeiro paper sobre o potencial do eletrodo de lítio foi publicado pelos físico-químicos Gilbert N. Lewis e Frederick G. Keys em 1913. Não existe aplicação sem muita ciência básica antes", Prof. Romeu C. Rocha Filho, UFSCar "Esse Nobel mostra claramente para as pessoas porque a ciência é importante. A bateria de íons lítio é algo que mudou o mundo, e que a maioria das pessoas têm em casa", Prof. Fernando

"Esse Nobel mostra claramente para as pessoas porque a ciência é importante. A bateria de íons lítio é algo que mudou o mundo, e que a maioria das pessoas têm em casa", celebra o professor Fernando Galembeck (Unicamp), ex-presidente da SBQ. Em sua opinião, a ciência ganha muito com esse prêmio nesse momento histórico.

"Hoje existe uma desconfiança e até uma rejeição pela ciência. Isso tem sido uma preocupação no mundo inteiro. As pessoas querem saber porque cientistas estão gastando tanto dinheiro, e muitas vezes quando você pede para um cientista explicar o que e por que está fazendo o que está fazendo, fica claro que ele está fazendo aquilo para publicar um artigo em revista importante e pronto. E nem todo pagador de impostos gosta dessa ideia", pondera o professor. Ele critica premiações muito distantes da vida das pessoas. "Este ano o Nobel de Física foi para a descoberta de um exoplaneta. É bom saber que existe este exoplaneta, mas eu tenho certeza que, na Física, há muitas novas descobertas e linhas de pesquisa que têm muito mais relevância para a humanidade", afirma.

Sua visão é compartilhada pelo professor Romeu C. Rocha Filho (UFSCar), presidente sucessor da SBQ. "É muito importante que, de vez em quando, o Nobel esteja relacionado a algo tão presente na vida das pessoas, como é o caso das baterias de íons lítio. Estas baterias diminuíram o tamanho dos telefones celulares e possuem densidade de energia suficiente para convenientemente mover carros em longas distâncias", assinala. Rocha Filho dá o exemplo dos investimentos da empresa Tesla nas chamadas Gigafactories, ou gigafábricas para produção massiva de baterias de íons de lítio para uso em carros elétricos, a primeira no estado de Nevada, nos EUA, e outras a caminho no estado de Nova York e na China.

Rocha Filho ressalta a importância da ciência básica na história das baterias de lítio. "O primeiro paper sobre o potencial do eletrodo de lítio foi publicado pelos físico-químicos Gilbert N. Lewis e Frederick G. Keys em 1913. Não existe aplicação sem muita ciência básica antes. Esta é como se fosse uma caixa de ferramentas", observa.

As semanas que antecedem a entrega do Nobel de Química estão ganhando tradição nas redes sociais do professor Adriano D. Andricopulo (IFSC-USP), também ex-presidente da SBQ. Desde o ano passado ele posta em seu perfil no Facebook uma espécie de bolão em que seus seguidores se engajam em palpites e torcidas. "No ano passado ninguém acertou, mas nesse ano o PC (professor Paulo Cezar Vieira, UFSCar, também ex-presidente da SBQ) foi seco no Goodenough", conta Andricopulo.

Ele tem por hábito fazer postagens que envolvam leigos em questões científicas. "As redes sociais são uma ferramenta importante que nós pesquisadores podemos usar com o objetivo de trazer simpatizantes para a ciência e o nosso trabalho", afirma o professor.

Leia abaixo artigo escrito pelo professor Roberto Torresi, coordenador do Laboratório de Materiais Eletroativos do IQ-USP, especialmente para este Boletim:

O Nobel de Química 2019

Roberto M. Torresi
Professor do Instituto de Química
da Universidade de São Paulo.

O Nobel de Química de 2019, anunciado na quarta-feira 9 de outubro, foi para Akira Yoshino (Meijo University, Nagoya, Japão), John Bannister Goodenough (The University of Texas at Austin, Estados Unidos) e Michael Stanley Whittingham (The State University of New York at Binghamton, Estados Unidos) pelo desenvolvimento das baterias de íons de lítio. O anúncio de certa forma era esperado já que não foi a primeira vez que eram candidatos, além de corresponder a uma descoberta importante que modificou o cenário posterior no que se relaciona ao armazenamento eletroquímico de energia.

No começo de 1970 várias tentativas tinham sido feitas para utilizar o metal lítio numa bateria secundária onde inumeráveis ciclos de carga/descarga podem ser realizados, mas o sucesso não foi alcançado por duas razões principais: a primeira, relacionada à tendência do lítio de formar dendritos durante sua eletrodeposição que facilmente causam curto-circuito durante carregamento; e a segunda razão é a alta reatividade química do lítio metálico que resulta numa durabilidade inadequada do ciclo de carga/descarga devido a reações colaterais. Também representava um risco de uma reação térmica descontrolada, gerando um problema insuperável em termos de segurança.

A resposta parcial ao problema foram as pesquisas de Whittingham¹, que em 1976 propôs a utilização de sulfeto de titânio como eletrodo positivo (cátodo) e posteriormente em 1980, Goodenough e colaboradores² publicaram o trabalho onde se propõe a utilização de óxido de cobalto como eletrodo positivo aumentando significativamente a capacidade de armazenamento de energia². Neste período, Yoshino³ começou a trabalhar na procura de um material que pudesse ser utilizado no eletrodo negativo evitando a eletrodeposição de lítio, e esse material foi o grafite de alta pureza. Dessa maneira uma nova bateria secundária de íon-lítio foi construída por Yoshino e começou a ser comercializada em 1991 pela SONY. Nela, o armazenamento de energia não estava relacionado à mudança do estado de oxidação do lítio e sim à intercalação do cátion lítio em duas matrizes hospedeiras diferentes. Isto gera uma diferença de potencial químico onde a reação espontânea produz corrente e, como a reação é reversível, pode ser revertida pela passagem de corrente elétrica.

Entre 1991 e 2009 as baterias de íon-lítio foram conquistando o mercado para o seu uso em dispositivos de pequeno porte; mas a partir de 2010 entraram na competição pela sua aplicação em dispositivos de grande porte como carros elétricos, o que gerou em 2018 um consumo de aproximadamente 50 gigawatts por hora, correspondente a metade da produção total deste tipo de baterias. Com todo este desenvolvimento, as baterias de íons-lítio abriram um espectro imenso de novas formas de armazenamento eletroquímico de energia; nos 10 últimos anos, houve uma mudança de paradigma com uma expansão para sistemas de larga escala provocado pelo desenvolvimento das fontes renováveis, tais como, energia eólica e solar, estabilização da rede de distribuição elétrica e veículos elétricos. Obviamente, a força motriz para esta inovação tecnológica não está somente relacionada ao suprimento de petróleo – lembremos a citação do xeque Ahmed Zaki Yamani em 1973, quando era primeiro secretário geral da Opep e ministro do petróleo e recursos minerais da Arábia Saudita: "A Idade da Pedra não terminou por falta de pedra. E a do petróleo não terminará por falta de petróleo"⁴ – mas também ao interesse fundamental de diminuir o aquecimento global utilizando tecnologias de baixo impacto ambiental. Portanto, é difícil prever se teremos no futuro uma tecnologia que prevalecerá ou teremos uma mudança disruptiva que implicará na convivência de diferentes tipos de tecnologias; modelo bem diferente do atual onde existe uma tecnologia predominante e baseada em combustíveis fósseis.

1. The Role of Ternary Phases in Cathode Reactions - M. Stanley Whittingham; J. Electrochem. Soc., 123 (1976) 315-320.

2. A New Cathode Material for Batteries of High Energy Density - K. Mizushima, P.C. Jones, P.J. Wiseman and J.B. Goodenough, Mat. Res. Bull., 15, (1980) 783-789.

3. The Birth of the Lithium-Ion Battery - Akira Yoshino, Angew. Chem. Int. Ed., 51, (2012) 5798 – 5800.

4. https://www.economist.com/leaders/2003/10/23/the-end-of-the-oil-age (consultada em 14/11/2019).



Texto: Mario Henrique Viana (Assessoria de Imprensa da SBQ)