A equipe criou um projeto para avançar o conceito das baterias solares optoiônicas.
[Imagem: SolBat Project/Divulgação]

Bateria solar

Para resolver o problema da intermitência da energia solar - quando o Sol se põe, acaba a geração - usamos baterias, mas um conjunto de baterias que consiga suprir a mesma potência gerada durante o dia sai muito caro.

Bibhuti Rath e colegas da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, apresentaram agora uma solução muito melhor: Um "reservatório solar", uma espécie de bateria, só que diferente das atuais, que armazena energia e a libera na forma de eletricidade muito depois do pôr do sol, mantendo o suprimento à noite.

É a primeira vez que se consegue combinar a coleta de energia solar e o armazenamento de energia de longo prazo em uma única estrutura molecular livre de metais, unindo efetivamente as funções de uma célula solar e uma bateria em um sistema único, leve e sustentável - uma autêntica bateria solar.

Isso foi possível graças a uma espécie de cerâmica muito porosa, conhecida como estrutura orgânica covalente, ou COF (Covalent Organic Framework), uma versão orgânica das mais conhecidas estruturas metal-orgânicas, ou MOFs - a eliminação dos metais simplifica tudo desde a fabricação do material, além de uma marcante redução nos custos.

O material bidimensional, fabricado à base de naftalenodiimida, não apenas absorve a luz solar, mas também estabiliza as cargas fotoinduzidas resultantes, permitindo o armazenamento de energia por mais de 48 horas em ambientes aquosos - esse tipo de material, que permite a movimentação de íons por ação de fótons, é conhecido como optoiônico.

As cargas armazenadas são retidas no material e podem posteriormente ser descarregadas de modo ativo, para alimentar uma carga externa, permitindo o uso prático da energia armazenada durante o dia. "Este material tem dupla funcionalidade e atua como um absorvedor solar e um reservatório de carga de longo prazo," disse Bhusan. "Seu desempenho supera o de muitos materiais optoiônicos existentes - e o faz sem depender de metais ou elementos raros."

Embora os íons sejam cruciais para a bateria solar, o elemento fundamental para o seu funcionamento é a água.
[Imagem: Bibhuti Bhusan Rath et al. - 10.1021/jacs.4c17642]

Água é crucial

Combinando técnicas ópticas, eletroquímicas e computacionais, os pesquisadores descobriram que a água desempenha um papel central na estabilização das cargas elétricas armazenadas.

Em vez de interagir fortemente com íons externos, as moléculas de água respondem às cargas na estrutura do COF de modo a criar uma barreira energética, impedindo efetivamente a recombinação das cargas aprisionadas geradas pela luz, preservando a energia para liberação posterior.

O material apresenta uma capacidade de armazenamento de carga de 38 mAh/g, superando estruturas semelhantes e outros materiais sensíveis à luz, como nitretos de carbono e estruturas metalorgânicas.

O dispositivo de testes apresentou uma excelente estabilidade cíclica em termos de materiais orgânicos, com mais de 90% de retenção de capacidade após algumas dezenas ciclos de carga, chegando a 50% após 1.500 ciclos.

"Este trabalho destaca o potencial das estruturas orgânicas para serem ajustadas para aplicações avançadas de energia - usando apenas blocos de construção orgânicos e água," disse a professora Betina Lotsch. "Isso marca um passo significativo em direção a soluções sustentáveis de armazenamento de energia baseadas em materiais e aplicações fora da rede elétrica."