Desde a construção civil até a produção automotiva, a aplicação das fibras de carbono causa admiração e curiosidade. O material é conhecido pela leveza e pela força mecânica, servindo, inclusive, como substituto do aço e do alumínio, com a vantagem de não sofrer corrosão semelhante à famosa ferrugem. Cientistas do Instituto Politécnico da Universidade Estadual da Virgínia (Virginia Tech), nos Estados Unidos, apostam em um uso inusitado do material: no armazenamento de energia.
A equipe apresentou recentemente, nas revistas Nature Communications e Science Advances, uma estrutura porosa de fibras de carbono que consegue armazenar energia eletroquímica. A aposta é que a criação poderá ser usada para construir novos tipos de baterias de carros elétricos e drones e até mesmo a lataria externa dos automóveis.
Para funcionar como boas fontes de energia, dispositivos de armazenamento seguem duas características primordiais: alta densidade de energia e altas taxas de movimentação de carga de elétrons ou íons. A primeira é crucial para grandes níveis de energia no aparelho, enquanto a segunda é importante para gerar potências úteis. Entretanto, o carbono não consegue atender aos dois quesitos.
A equipe estadunidense identificou a solução usando pseudocapacitores, um grupo de substâncias que consegue reunir altos níveis de energia. Entre as várias possibilidades, o dióxido de manganês (MnO2) é um dos que têm o melhor desempenho. Ao juntar fibras de carbono e o MnO2, os cientistas acreditam ter chegado a uma estrutura eletroquímica ideal e eficiente. Enquanto o pseudocapacitor é responsável por armazenar a energia, o material de carbono serve como um suporte para o dispositivo.
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A questão é: por que o carbono como suporte?. Porque ele é um condutor elétrico que se destaca. Não à toa, os eletrodos mais usados são os de carbono. Em contraposição, o dióxido de magnésio não tem essa mesma habilidade de condução”, explica Marcos Juliano Prauchner, professor do Instituto de Química da Universidade de Brasília (UnB) e pesquisador em fibras de carbono.
Poroso
Um novo impasse teve que ser enfrentado pelos cientistas devido à escolha do uso de um pseudocapacitor. Quando em grandes quantidades, o dióxido de manganês dificulta o transporte de íons na fibra de carbono material. Por outro lado, em pequenas porções, não pode armazenar níveis relevantes de energia. A criação de uma estrutura porosa de fibras de carbono preenchida com o MnO2 resolveu o problema.
Segundo Guoliang Liu, um dos autores da pesquisa e professor do Departamento de Química da Virginia Tech, até o tamanho dos poros do material de carbono influenciaram no resultado alcançado. “A uniformidade da estrutura porosa é a chave. Carbonos microporosos levariam ao entupimento dos poros com o acréscimo do MnO2. Já carbonos macroporosos reduziriam a área de superfície necessária. Em contrapartida, materiais mesoporosos podem fornecer altas taxas de carga e descarga e uma área superficial elevada para o carregamento de MnO2”, detalha. A estrutura de fibras de carbono criada por Liu e sua equipe tem poros de 11,7 nanômetros (nm), medida de um mesoporo, que pode ir de 2nm a 50nm.
Dessa forma, a estrutura porosa não é entupida pelo dióxido e pode transportar os íons normalmente. O suporte consegue aderir 7mg/cm2 do dióxido de manganês. O valor é dupla ou triplamente maior que o encontrado na indústria, de acordo com os pesquisadores estadunidenses. Quanto maior a aderência, maior a capacidade de armazenamento de um material. “É significativamente maior quando comparado a materiais de suporte convencionais”, avalia Luiz Pardini, presidente da Associação Brasileira de Carbonos.
Diante dos resultados alcançados, Guoliang Liu afirma, otimista, que o produto tem grande potencial para ser usado em tecnologias futuras. “As fibras de carbono porosas são uma classe importante de materiais para uma variedade de aplicações, desde separação, filtração, catálise e armazenamento até conversão de energia. Elas serão as fibras de carbono da com dupla possibilidade de uso, seja como suporte estrutural, seja como material funcional”, aposta.
E a reciclagem?
Ao mesmo tempo que viabilizam a criação de produtos mais leves e resistentes, as fibras de carbono preocupam ambientalistas. Em 2017, a organização não governamental Green Alliance listou a fibra de carbono como parte da próxima geração de materiais responsáveis por gerar grandes quantidades de resíduos no mundo. Por conta de sua estrutura interna, as fibras são de difícil reutilização e, geralmente, acabam sendo depositadas em aterros sanitários quando perdem a utilidade.
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Estreia na engenharia
As fibras de carbono foram introduzidas para uso em engenharia no início da década de 1970, e os benefícios trazidos pelo produto atingiram diversas áreas. Uma delas, por exemplo, é aviação, como lembra Luiz Pardini, presidente da Associação Brasileira de Carbono. “O exemplo mais contundente de uso de fibras de carbono na área aeronáutica é a aeronave Boeing 787 (foto), com 50% da massa composta de combinações com o material”, diz.
O especialista explica que a restrição europeia de limitar o peso em veículos automotores potencializou o uso de fibras de carbono a custos compatíveis com materiais convencionais, como o aço e o alumínio. O crescimento do uso do material na área automotiva foi previsto em relatório de 2016 da empresa de pesquisa Composites Forecasts and Consulting LLC. A aposta é de que o ramo será o mais beneficiado com fibras de carbono nos próximos anos.