Baterias de iões de lítio são como clipes de papel. O que é a degradação quimio-mecânica, que surge tanto em fones de ouvido como nos veículos elétricos?
Toda a gente sabe que as baterias degradam-se inevitavelmente com o uso, mas durante muito tempo nenhum engenheiro conseguiu explicar exatamente como pequenas alterações microscópicas se transformam, com o tempo, numa perda constante de capacidade.
Um novo estudo publicado na Science aponta agora para uma peça importante do puzzle: a “respiração” mecânica das baterias, isto é, a expansão e contração repetidas dos seus componentes internos a cada ciclo de carga e descarga.
A investigação, desenvolvida por uma equipa da University of Texas at Austin, Northeastern University, Stanford University e Argonne National Laboratory, descreve um fenómeno conhecido como degradação quimio-mecânica. Em termos mais simples, quando uma bateria carrega, os iões de lítio entram nos elétrodos; quando descarrega, saem. Essa migração química gera stress físico nos materiais. Ao longo de milhares de ciclos, esse esforço acumula-se e provoca deformações internas que enfraquecem a célula até ao ponto de falha.
“Com cada ‘respiração’ da bateria, existe um certo grau de irreversibilidade”, explica Yijin Liu, professor associado na University of Texas at Austin e líder do estudo. A ZME Science, em artigo dedicado ao estudo, compara o fenómeno ao que acontece com um clipe de papel, que se dobra repetidamente até partir, uma única carga pode não causar danos visíveis mas a repetição contínua acaba por deixar marcas.
A grande novidade do trabalho está na identificação de um mecanismo interno designado por “cascatas de deformação”. Os elétrodos são compostos por centenas de milhares de partículas microscópicas densamente compactadas, e a equipa observou que estas partículas não reagem de forma uniforme ao stress eletroquímico. Algumas deslocam-se rapidamente, enquanto outras permanecem relativamente estáveis.
Essa discrepância cria tensões localizadas que, com o tempo, favorecem a formação de fissuras e danos estruturais. Quando as fraturas começam, os caminhos elétricos degradam-se e a perda de desempenho tende a acelerar.
Para chegar a estas conclusões, os investigadores recorreram a técnicas avançadas de imagem “operando”, que permitem observar materiais enquanto estão a funcionar, e não apenas após falharem. Entre os métodos usados estão a microscopia de raios-X por transmissão em operação e a laminografia 3D por raios-X, que possibilitam ver o interior de baterias intactas durante ciclos reais de carga e descarga, sem as cortar nem alterar fisicamente.
O fenómeno foi inicialmente detetado de forma inesperada quando a equipa analisava baterias minúsculas em auriculares sem fios: as mesmas tensões mecânicas surgem tanto em células pequenas como em baterias maiores.
As implicações vão muito além dos telemóveis. A degradação é um obstáculo central para veículos elétricos e para sistemas de armazenamento em rede associados a energias renováveis, que dependem de baterias capazes de suportar muitos anos de ciclos. Baterias com vida útil mais curta aumentam custos, geram mais resíduos e atrasam a transição energética.
Ao identificar como e onde o stress mecânico se acumula, o estudo aponta também pistas para melhorar o design: aplicar pressão controlada às células para limitar deformações e redesenhar elétrodos para que as partículas se movam de forma mais homogénea, reduzindo a probabilidade de cascatas de deformação.
