Pesquisadores da França e Espanha desenvolveram um material semelhante a cimento de um geopolímero e mostraram como ela pode servir simultaneamente como um eletrólito sólido em um sistema de armazenamento eletroquímico de energia eletroquímica recarregável. “Isso é mais do que uma bateria”, diz Vadim Kovruginque liderou o trabalho na Universidade de Bordeaux e na Universidade do país basco. “É um novo conceito material, onde a infraestrutura não fica parada, mas pode contribuir ativamente para o ecossistema energético”.
Pesquisas anteriores sobre materiais de construção com armazenamento integrado de energia se concentraram no armazenamento de energia de calor residual no cimento Portland. O armazenamento de energia eletroquimicamente, em vez de termicamente, é muito mais eficiente; portanto, alguns estudos exploraram usando cimento tradicional ou misturas de concreto como componentes da bateria.
A questão do cimento, no entanto, é que a produção gera emissões significativas de dióxido de carbono. A equipe de Kovrugin está, portanto, investigando as propriedades eletroquímicas de ligantes de construção mais sustentáveis.
Aqui eles usaram um aluminossilicato sintético chamado metakaolina, fabricado aquecendo a caulinita mineral da argila. A metakaolina possui alta resistência e durabilidade mecânica, bem como boa condutividade iônica. A mistura de metakaolina com uma solução de ativação formou uma pasta na qual a equipe incorporou eletrodos de zinco e dióxido de manganês para criar uma bateria com uma configuração clássica no estilo de sonda.
Em estudos anteriores sobre baterias à base de cimento, as condições alcalinas de tais materiais podem vê-las reagir com o zinco para formar zinco de cálcio. O eletrólito de metakaolina levemente ácido na bateria da equipe de Kovrugin, no entanto, permite que o zinco permaneça em sua forma iônica. Isso torna o sistema recarregável por meio de um processo de revestimento e remoção reversível.
‘O uso de geopolímeros à base de metakaolina como eletrólito sólido para armazenamento de energia é um grande avanço, e é emocionante ver a dupla funcionalidade desse material em armazenamento e construção de energia. À medida que fazemos a transição para a energia renovável, a necessidade de soluções de armazenamento de energia eficiente e integrado se torna mais urgente, tornando essa pesquisa particularmente oportuna, ‘observações Damian Stefaniukdo Instituto de Tecnologia de Massachusetts nos EUA, que fazia parte de uma equipe que criou um supercapacitor fora de cimento em 2023.
A durabilidade é um desafio fundamental ao incorporar baterias em estruturas permanentes e Stefaniuk explica ‘Uma das funções – armazenamento de energia – pode se degradar muito mais cedo devido às reações químicas presentes nas baterias’.
A evolução do hidrogênio é um bloqueio de tropeço bem conhecido no desenvolvimento da bateria de zinco e no sistema à base de metakaolina que gera sulfato de zinco hexa-hidratado. Este produto lateral pode comprometer a interface entre o eletrodo e eletrólito negativo e levar a rachaduras no material geopolímero. A equipe sugere, portanto, que o uso de um design modular, onde os componentes da bateria são estruturados em camadas ou compartimentos acessíveis, pode tornar esse problema menos um problema, permitindo que os componentes sejam mantidos ou substituídos sem comprometer a integridade estrutural de qualquer construção.
Outra consideração importante na durabilidade do material geopolímero é sua hidratação e comportamento de secagem. Houve perda de água forte nas baterias após 40 dias de cura, quando a estabilidade eletroquímica diminuiu. Isso implica que os níveis de hidratação são importantes para manter a condutividade suficiente. No entanto, aumentar o teor de água pode afetar potencialmente a integridade mecânica do material. Os processos de formulação e cura de geopolímeros precisarão ser otimizados, mas mais trabalhos sobre isso podem ajudar a tornar o material mais adequado para estruturas reais.
Apesar dos desafios envolvidos na incorporação da funcionalidade de armazenamento de energia em materiais estruturais, Kovrugin observa que ‘a cada passo adiante, nos aproximamos de um futuro onde paredes e pontes não são apenas estruturas passivas, mas elementos ativos capazes de armazenar energia e monitorar sua própria saúde – por exemplo, detectando a aparência de correntes ou outros sinais de degradação estrutural.