Zinc-Air e células de combustível: sucessoras das Li-Ion?

Publicado em 30/10/2009 – 18:38
por Carlos Morimoto

Apesar de terem ganhado a briga contra as tecnologias anteriores e terem se tornado a tecnologia dominante, as baterias Li-Ion ainda deixam a desejar em diversos aspectos, já que são relativamente caras, temperamentais e a autonomia nunca é suficiente.

Como isso, a busca pela sucessora continua. Uma tecnologia promissora é a Zinc-Air (zinco e ar), que acena com a possibilidade de baterias mais baratas e eficientes.

Embora fabricantes como a Sony tenham conseguido aperfeiçoar a produção de baterias Li-Ion ao longo dos anos, tornando-as mais seguras e melhorando a densidade energética, elas são ainda consideradas relativamente perigosas e o lítio é uma matéria prima cara, que tende a subir de preço no futuro caso a procura por carros elétricos aumente a demanda por baterias.

O princípio básico de operação das baterias Zinc-air é o processo de oxidação do zinco quando em contato com o oxigênio do ar. Esta é uma tecnologia usada há bastante tempo em baterias não-recarregáveis, onde partículas de zinco são combinadas com um eletrólito e se transformam em óxido de zinco a partir da reação com o ar. Este tipo de bateria oferece uma boa densidade energética e um baixo custo de produção, mas o fato de não serem recarregáveis limita muito as áreas de uso. Atualmente, o uso mais comuns são em baterias para aparelhos auditivos:

Outra área promissora é em células de combustível para carros elétricos, onde o zinco seria usado como uma espécie de combustível, adicionado à célula na forma de esferas microscópicas, que seriam convertidas em óxido de zinco conforme a energia fosse liberada. Ao reabastecer, as esferas oxidadas seriam substituídas por novas, repetindo o processo.

Como o zinco é um material bastante abundante e facilmente reciclável, o uso das esferas e das células de combustível seria uma maneira bastante sustentável de transportar energia, concorrendo com o hidrogênio.
Naturalmente, nada disso se aplica a eletrônicos, já que as células de combustível são grandes e a ideia de bombear esferas para dentro da bateria e depois remover os resíduos não seria tão prática quanto simplesmente ligar na tomada.

A solução óbvia é o desenvolvimento de baterias recarregáveis, onde a reação do zinco com o ar possa ser revertida através da aplicação de uma corrente elétrica, revertendo o zinco a seu estado original. Naturalmente, esse é o tipo de coisa que parece simples na teoria, mas é difícil na prática. Muitas empresas tentaram, mas as baterias eram sempre relativamente grandes e suportavam apenas algumas poucas recargas antes que a bateria se deteriorasse.

Recentemente (final de 2009) foi anunciada uma nova tecnologia, desenvolvida pelo SINTEF Group (uma instituição de pesquisa da Noruega) e comercializada pela ReVolt, que oferece uma densidade energética 3 vezes superior à das baterias Li-ion.

As baterias usam uma membrana porosa, que permite a entrada de pequenas quantidades de ar do ambiente, agindo como eletrodo. Dentro da bateria, o oxigênio alimenta a reação de um eletrodo de zinco com um eletrólito aquoso, que é aplicado sobre ele na forma de gel. A reação oxida o zinco, liberando elétrons, que alimentam os dispositivos ligados à bateria:

A grande diferença em relação às baterias não-recarregáveis atuais é que a reação pode ser revertida através através do uso de corrente elétrica, fazendo com que o óxido de zinco libere o oxigênio absorvido, voltando ao seu estado original. A primeira geração suporta apenas 200 recargas, mas o objetivo é elevar o número para 300 a 500 recargas em breve, o que as tornaria competitivas em relação às células Li-Ion atuais.

Como pode imaginar, a necessidade de obter oxigênio do ar faz com que as baterias não possam ser colocadas em compartimentos hermeticamente fechados, o que torna necessário um design mais cuidadoso nos aparelhos, que devem permitir a circulação de ar dentro do compartimento da bateria, sob pena de ficarem sem energia na hora H.

Do ponto de vista técnico elas são uma tecnologia bastante interessante, já que além da densidade energética maior, as baterias são bastante finas, o que as torna especialmente interessantes para o uso em smartphones, onde a demanda por processadores mais rápidos tem aumentado a pressão sobre as baterias, fazendo com que muitos aparelhos não resistam a mais do que 4 ou 5 horas de uso contínuo.

Diferente do que temos no caso das baterias Li-Ion, a matéria prima básica (o zinco) é bastante barato e a bateria não inclui materiais voláteis, o que elimina o risco de explosões e elimina a necessidade de usar o chip de monitoramento de carga e descarga. Isso tudo abre a possibilidade de uma queda substancial nos preços casos elas sejam produzidas em quantidade.

Naturalmente, as baterias Zinc-air recarregáveis ainda têm um longo caminho a percorrer. Segundo os press-relases da ReVolt o objetivo inicial são pequenas células recarregáveis para aparelhos auditivos, seguidas de baterias para celulares e células de combustível para carros e bicicletas elétricas. Ou seja, elas são uma grande promessa para o futuro, mas não espere vê-las dentro de seu notebook ou netbook tão cedo… :)

Outra promessa (embora cada vez mais distante) são as células de combustível, que produzem energia a partir da reação do hidrogênio com o oxigênio do ar, gerando apenas água, eletricidade e calor como subprodutos. A tecnologia de célula de combustível mais promissora para uso em portáteis é a DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), onde é utilizado metanol (um tipo de álcool combustível, produzido a partir do gás natural).

O metanol é, neste caso utilizado como um meio de armazenamento do hidrogênio, o que permite a construção de células muito mais compactas do que seria se fosse utilizado hidrogênio pressurizado. Ao invés de queimar o combustível, como faria um motor de combustão, a célula de combustível combina o hidrogênio do metanol com oxigênio do ar, um processo bem mais seguro.

Desde 2003, a NEC, IBM, Toshiba e outros fabricantes vêm demonstrando protótipos de células de combustível destinadas a notebooks e palmtops. Na maioria dos casos, as células de combustível são utilizadas como uma bateria secundária, utilizada apenas quando a bateria interna se esgota.

Em um protótipo demonstrado pela IBM em 2003, uma carga de 130 ml com uma mistura de metanol e água era capaz de gerar 72 watts-hora de energia, suficientes para manter um Thinkpad ligado por 8 horas. Entretanto, os cartuchos de metanol eram relativamente caros e a célula de combustível pesava tanto quanto o próprio Thinkpad:

Esta célula produz apenas 0.1 watt de energia, a uma tensão de 0.65v, por isso é utilizável apenas em aparelhos muito pequenos. As células para notebook precisam produzir 200 vezes mais energia, por isso são tão grandes.

Existem dois tipos de células de combustível. As menores (como este modelo da Toshiba) trabalham de forma "passiva", onde o combustível flui de forma natural dentro da célula. As para notebooks utilizam um sistema "ativo", onde uma bomba força o metanol e o ar dentro da célula e um exaustor resfria a célula, evitando que ela superaqueça. As células ativas produzem muito mais energia, mas em compensação são muito maiores.

De qualquer forma, o principal atrativo das células de combustível é a boa autonomia, combinada com a rapidez da recarga. Ao invés de precisar ligar o aparelho no carregador, basta encher o reservatório periodicamente, de forma que, levando metanol suficiente, você poderia manter o notebook ligado continuamente por semanas em algum local remoto, sem eletricidade. A vida útil das células atuais é estimada em 3.000 horas de uso, mas ela tente a aumentar nas próximas gerações.

Apesar disso, o futuro das células de combustível nos portáteis ainda é incerto. Atualmente, elas são muito mais caras que as baterias, o que elimina qualquer vantagem relacionada ao custo. Elas também são grandes, de forma que é mais simples utilizar uma bateria de maior capacidade quando o problema é aumentar a autonomia.

O exemplo mais recente é o Dynario, um carregador para smartphones que utiliza uma célula de combustível, que foi lançado pela Toshiba no mercado Japonês:

Ele usa uma solução de metanol diluído em água e é carregado diretamente através de bisnagas. Ele é capaz de gerar cerca de 6 watts-hora de energia com uma carga de 14 ml, o que é suficiente para duas cargas na maioria dos smartphones.

A ideia de usar a célula de combustível como um carregador externo a fim de introduzir a tecnologia não é ruim. Entretanto, a utilidade é questionável, já que ele é maior do que a maioria dos carregadores externos (que usam baterias Li-Ion ou pilhas AA) e além do carregador, você precisa carregar também a bisnaga de metanol. O preço também é muito alto (nada menos que US$ 325) e até mesmo as bisnagas de recargas são caras, custando US$ 7 cada uma.

Além da questão do volume, as recargas são outro fator limitante, já que representam um custo adicional. Embora você pague pela eletricidade, a quantidade de energia gasta para recarregar a bateria de um notebook ou smartphone é pequena, de forma que o ato de recarregar é visto como algo gratuito, onde você tem apenas o trabalho de ligar na tomada.

No caso das células de combustível, por outro lado, é necessário comprar algum tipo de refil contendo o metanol ou etanol usado pelas células e é aí que reside o grande problema, já que ninguém vai querer cair na mesma armadilha dos cartuchos de impressão, onde você acaba gastando várias vezes o custo do produto.

Se você puder simplesmente comprar o combustível a litro, como fazemos com o álcool de cozinha, muito provavelmente ninguém se importará muito com o custo adicional. Entretanto, a venda de refis é uma oportunidade suculenta demais para os fabricantes, que tendem a tentar vendê-los com uma grande margem de lucro, como no caso dos refis de 50 ml por US$ 7 (US$ 350 o litro!) do Dynario.

A soma de todos esses fatores faz com que a possibilidade de as células de combustível virem a fazer sucesso é bem pequena, já que as baterias Li-Ion e Li-poly oferecem boas quantidades de energia em formatos muito pequenos. Como um obstáculo adicional, diversos fabricantes tem anunciado baterias Li-ion de carga ultra-rápida, que podem ser recarregadas em até 1 minuto (como num protótipo demonstrado pela Toshiba em 2005). Esta nova geração de baterias elimina outro atrativo das células de combustível, que é a rapidez da recarga.

Naturalmente, as células de combustível também não param de evoluir, com células mais eficientes, baratas e compactas. Alguns anos atrás, se estivava que em 2010 já existiriam células baratas o suficiente para começar a competir com as baterias Li-ion, mas as estimativas atuais não são tão otimistas, falando em 2012 ou 2015. Muitos brincam que o hidrogênio é a tecnologia do futuro e sempre será (ou seja, não será usado nunca… :).