Uma bateria nova chega completamente seca e só “acorda” quando entra em contacto com ar húmido. Em vez de transportar um líquido no interior, capta vapor de água do ambiente e fabrica no momento o eletrólito de que precisa para funcionar. Na prática, fica alimentada por pouco mais do que o ar à sua volta.
A mesma bateria opera tanto em zonas desérticas e secas como em florestas tropicais húmidas, e consegue competir com pilhas comerciais comuns. Como só se activa quando há humidade, quase não perde carga enquanto permanece guardada na embalagem.
Este conceito ataca dois entraves antigos na electrónica de pequena escala: oferece a dispositivos vestíveis e a equipamentos ligados à Internet uma fonte de energia leve, flexível e sem metais tóxicos.
Energia de bateria a partir do ar
Para uma bateria funcionar são necessários dois eléctrodos e uma camada húmida entre eles - o eletrólito - que permite transportar carga. A maioria das baterias mantém esse líquido selado, o que acrescenta peso e cria risco de fugas. Aqui, a célula é enviada seca e vai buscar o eletrólito ao ar.
O desenvolvimento vem do laboratório de Amay J. Bandodkar, professor de engenharia na North Carolina State University, em colaboração com a Rice University. A célula combina um ânodo de magnésio com um cátodo de cloreto de prata, materiais já familiares em dispositivos médicos.
Entre ambos está um separador de duas zonas, responsável pelo “truque” principal. Numa das zonas existe uma folha de celulose impregnada com cloreto de lítio, um sal com enorme afinidade pela água, capaz de puxar vapor de água do ar e condensá-lo em líquido.
Na segunda zona, esse líquido é absorvido e dissolve uma dose pré-carregada de sal de cozinha. Assim, a bateria passa a ter uma solução salina que transporta carga, preparada no local a partir de ar e de uma pequena quantidade de sal, sem necessidade de humedecer manualmente.
Esta química de captura de humidade nasceu noutro contexto: a extracção de água potável a partir de ar seco. Trabalhos anteriores mostraram que a celulose com cloreto de lítio consegue capturar água numa vasta gama de humidades; a equipa de Bandodkar adaptou esse princípio para uma bateria.
Quando exposta a ar normal de interior, a célula estabiliza a saída em cerca de 7 minutos. Com aproximadamente 1.6 volts, fica ligeiramente acima de uma pilha AA padrão.
Do suor ao ar
Não é a primeira vez que este grupo constrói baterias que recorrem a um fluido do corpo em vez de o armazenarem. Há alguns anos, apresentaram células finas para usar na pele que permaneciam inactivas até a pessoa começar a suar, usando depois a transpiração como eletrólito.
O suor resulta, mas depende de um corpo quente e em movimento. O fluido dos tecidos, que a equipa explorou mais tarde em baterias do tipo implante, só funciona dentro do organismo. A utilização da humidade ambiente elimina essas limitações.
Há quase sempre alguma quantidade de vapor de água no ar onde as pessoas vivem, o que torna esta abordagem muito mais fácil de aplicar do que as alternativas anteriores.
Manter a célula seca até ao momento de uso traz ainda um segundo benefício. As baterias perdem carga em prateleira devido a reacções lentas e indesejadas - um fenómeno conhecido por auto-descarga.
Sem líquido presente, não há meio para alimentar essas reacções, e por isso a célula fica praticamente intacta até a humidade a activar.
Dobrar sem partir
Uma bateria pensada para aderir à pele ou envolver um objecto precisa de dobrar sem fissurar. Muitos projectos flexíveis resolvem isto afastando componentes rígidos e ligando-os com conectores elásticos, mas essa abordagem desperdiça área útil e reduz a capacidade total disponível.
A solução da equipa inspirou-se no pangolim, o mamífero de escamas sobrepostas que se enrola formando uma bola. Em vez de espaçar as células, colocaram-nas muito próximas, como as “placas” do animal, e ligaram-nas com fios ondulados em forma de S, elásticos, que cedem quando a folha é puxada ou dobrada.
Raudel Avila, engenheiro mecânico na Rice University e co-autor do estudo, executou os modelos computacionais que orientaram a disposição.
“ As nossas simulações previram como toda a bateria se deforma, permitindo-nos conceber a arquitectura para que as interligações absorvam o movimento enquanto as células da bateria permanecem protegidas, ” afirmou Avila.
O empacotamento é suficientemente denso para que as células activas ocupem 87% da área total, e mesmo assim o conjunto consegue esticar até 80% em duas direcções. Dobrar e torcer quase não altera a resistência, porque os fios ondulados absorvem a deformação enquanto as células permanecem estáveis.
Em desempenho, a célula compara bem com pilhas compradas em loja: iguala ou supera várias células comerciais descartáveis em tensão e em energia por unidade de massa. Além disso, o grupo construiu uma versão em formato AA, compatível com aparelhos existentes.
A alimentar dispositivos reais
Para provar que a bateria consegue suportar electrónica exigente, a equipa montou duas demonstrações muito diferentes.
“ A nossa bateria iguala a capacidade de muitas baterias alcalinas comerciais AA e AAA, tornando-a uma fonte de energia adequada para uma vasta gama de electrónica, ” disse Bandodkar.
A primeira demonstração é um oxímetro de pulso sem fios, o dispositivo de dedo que mede a saturação de oxigénio no sangue e a frequência cardíaca ao fazer passar luz através da pele.
Na versão criada pela equipa, o aparelho divide-se num módulo de electrónica reutilizável e num adesivo descartável que integra a bateria e a cola para fixação à pele. Pequenos ímanes unem as duas partes, permitindo retirar uma bateria gasta e encaixar uma nova sem ferramentas.
Alimentado pela célula activada por humidade, o oxímetro enviou leituras de oxigénio e pulso para um telemóvel. Num teste de apneia voluntária, acompanhou o batimento cardíaco de um participante em cerca de 70 batimentos por minuto.
Sensor que se auto-destrói
A segunda demonstração explora o lado mais invulgar da tecnologia: um monitor de vigilância discreta, um pequeno sensor sem fios que “fareja” o ar à procura de vapores químicos, equipado com um interruptor de destruição que elimina o dispositivo assim que alguém o tenta manipular.
Por baixo do sensor existe uma mistura seca de alumínio e pó de iodo, coberta por uma membrana de cloreto de lítio que, de forma passiva, vai absorvendo humidade do ar. Uma barreira fina mantém a tampa húmida separada do pó seco, pelo que nada acontece em funcionamento normal.
Uma pressão firme - do tipo que uma mão desatenta poderia exercer - força o contacto entre as camadas. A água migra da membrana para o pó e desencadeia uma combustão intensa e auto-sustentada que destrói o sensor, a electrónica e quaisquer dados guardados em 3 minutos.
A humidade do ar, por si só, não o activa. A reacção continua a depender desse impulso mecânico para pôr a membrana húmida em contacto com a mistura seca.
O mesmo princípio de activação por água aparece noutros dispositivos do grupo. Um exemplo recente é um penso de baixo custo para feridas que permanece inactivo até a humidade o ligar, passando então a fornecer impulsos eléctricos com fins terapêuticos.
O que vem a seguir
Um componente ainda impõe um compromisso. A adição de glicerol, um líquido espesso, aumenta muito o tempo de funcionamento da bateria ao reter água na zona do eletrólito.
Isso poderá acontecer por amolecer o separador polimérico e reduzir a resistência interna, embora o mecanismo exacto ainda precise de estudo.
O problema é a conservação. Células sem glicerol mantiveram praticamente toda a capacidade após 15 dias seladas e guardadas; já as células com glicerol perderam a maior parte. É provável que o líquido promova reacções indesejadas no eléctrodo de magnésio mesmo quando a bateria está parada.
Os investigadores pretendem substituir esse líquido por um material sólido que retenha humidade - por exemplo, cristais porosos usados na colheita de água - para preservar a autonomia sem penalizar a vida em prateleira. Também estão previstos modelos recarregáveis e camadas de captura ajustadas a diferentes climas.
O interruptor de destruição poderá ir mais longe. A equipa imagina uma versão integrada em electrónica de consumo.
“ No futuro, electrónica de consumo, como telemóveis, poderá integrar interruptores de destruição remotos semelhantes. Em caso de roubo, os donos poderiam activar esta funcionalidade para impedir o acesso não autorizado à sua informação privada, ” disse Bandodkar.
Porque é importante
O resultado central é claro: uma bateria flexível e não tóxica consegue fabricar o próprio eletrólito a partir do ar e, ainda assim, igualar baterias comerciais nas métricas essenciais.
Esse é o avanço determinante. Muitas baterias de química “verde” ganham segurança à custa de desempenho; neste caso, não é necessário sacrificar a performance.
Abre-se assim uma via para alimentar o crescente conjunto de pensos de saúde vestíveis e pequenos sensores conectados sem ter de selar, em cada dispositivo, uma célula rígida e tóxica. Um aparelho pode ser enviado seco e inerte e ganhar vida no momento em que é desembrulhado e usado.
Crédito da fotografia: Rajaram Kaveti
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