Protótipos da bateria de nióbio, candidata para tecnologias de armazenamento de energia livres de lítio.
[Imagem: Frank Crespilho]

Bateria de nióbio

Pesquisadores brasileiros conseguiram pela primeira vez criar uma bateria funcional de nióbio, um metal estratégico de alto valor do qual o Brasil é de longe o maior produtor.

O nióbio já é usado como aditivo nas baterias de lítio, mas seu uso como elemento principal do armazenamento de energia é limitado devido à sua alta instabilidade.

"Abundante no Brasil, o nióbio é um metal de transição estratégico, com a capacidade singular de acessar múltiplos estados de oxidação, podendo trocar até cinco elétrons. Do ponto de vista eletroquímico, isso representa um potencial energético muito elevado," comentou o professor Frank Crespilho, do Instituto de Química de São Carlos (USP). "Por esse motivo, o nióbio vem sendo pesquisado há anos no contexto das baterias de lítio, geralmente como aditivo, mas não como o elemento ativo central do armazenamento de energia."

O problema é a alta reatividade do nióbio, fazendo com que o metal oxide facilmente - o óxido cria uma camada "isolante", que impede o fluxo dos elétrons, atrapalhando o funcionamento da bateria.

O truque usado pela equipe brasileira consistiu então em circundar o nióbio com moléculas que inibem sua oxidação.

"Ao controlar o ambiente químico ao redor do nióbio, ele passa a operar de forma previsível, reversível e estável, permitindo que finalmente assuma o papel principal em uma bateria, algo que os sistemas eletroquímicos clássicos nunca conseguiram fazer," disse Frank.

Esquema da bateria de nióbio. Em cima, os níveis de energia (estados de oxidação) do nióbio, cada pico representando um degrau eletrônico, onde elétrons são liberados ou recebidos de modo controlado. Embaixo, os materiais N-MER (Niobium Multi-stage Electronic Redox), que mantêm nióbio em estruturas estáveis, e NB-RAM (Niobium Redox Active Medium), que criam um ambiente condutor, resultando em tensão final alta e estável, sem degradar a bateria.
[Imagem: Frank Crespilho]

Protegendo o nióbio contra oxidação

Tudo começou com o trabalho da pesquisadora Luana Italiano, que trabalhou com endonucleases, enzimas que usam metais altamente reativos em seus sítios ativos - e esses metais praticamente não oxidam porque a proteína cria um microambiente químico que os mantém protegidos.

Frank, por sua vez, trabalhou com quinonas bioinspiradas aplicadas a baterias redox. "Ali, ficou claro que a reversibilidade eletroquímica não depende apenas do material em si, mas sobretudo do ambiente molecular que o envolve. Ao transpor esses conceitos para o nióbio, tornou-se evidente que o problema histórico nunca foi o metal, mas o ambiente inadequado em que ele era inserido," contou ele.

O passo seguinte foi desenvolver um microambiente artificial, inspirado na biologia, para proteger o nióbio da oxidação, o que permitiu construir a primeira bateria genuinamente baseada em nióbio, e não apenas em combinações de nióbio com a química de outros elementos.

"Na prática, essa combinação permite que o nióbio transite entre seus estados de oxidação de forma escalonada, reversível e estável, explorando múltiplos elétrons do mesmo metal," observou o pesquisador. "Isso viabiliza tensões da ordem de 3 volts, algo inédito para sistemas genuinamente baseados em nióbio."

Próximos passos

Os protótipos apresentaram uma operação consistente em múltiplos ciclos de carga e descarga, apresentando alta reversibilidade eletroquímica e uma janela de potencial significativamente superior à prevista para o nióbio em sistemas eletroquímicos clássicos.

"Esses resultados validam o conceito e colocam o nióbio, pela primeira vez, como um candidato real e competitivo para tecnologias de armazenamento de energia livres de lítio," disse Frank.

A USP (Universidade de São Paulo) já fez o depósito da patente da bateria de nióbio, assegurando que a propriedade intelectual permaneça no Brasil. "Se olharmos a história das baterias de lítio, houve um longo intervalo entre a ciência fundamental, o reconhecimento do potencial tecnológico e a consolidação industrial, período em que muitos países perderam a oportunidade de capturar valor estratégico, ficando apenas como fornecedores de matéria-prima", aponta.

No caso da bateria de nióbio, ele acredita que esse caminho pode e deve ser encurtado. A ciência já nasce integrada à aplicação, com um princípio de funcionamento claro e proteção intelectual depositada no Brasil. O passo imediato é acelerar o depósito internacional da patente, para garantir segurança jurídica para que o processo de desenvolvimento possa prosseguir em parceria com empresas.