Uma bateria aquosa usando um eletrólito com pH 7 e adequada para descarte ambiental direto

Por que baterias à base de água mais seguras importam

A maioria das baterias recarregáveis hoje depende de líquidos inflamáveis ou de ácidos e bases corrosivos, o que levanta preocupações de segurança e ambientais. Este estudo explora um novo tipo de bateria aquosa que funciona em uma solução suave, quase neutra—semelhante em acidez à água potável ou à salmoura usada para fabricar tofu. Como o líquido é brando e os ingredientes sólidos evitam metais pesados, essas baterias buscam armazenar energia por períodos muito longos e depois poder ser descartadas sem prejudicar o meio ambiente.

Problemas das baterias aquosas atuais

Baterias à base de água, ou “aquosas”, há muito são vistas como uma alternativa mais segura às células padrão de íon-lítio porque a água não queima. No entanto, a maioria dos projetos existentes usa líquidos que são bastante ácidos ou fortemente alcalinos. Nessas condições, a própria água se divide em hidrogênio e oxigênio nas superfícies dos eletrodos. Isso desperdiça energia, seca lentamente a célula e forma bolhas que danificam os eletrodos. Quando tais baterias são descartadas, seus líquidos corrosivos também podem prejudicar solos e cursos d’água. Os autores propuseram projetar uma bateria que mantenha as vantagens da água, mas funcione em um pH em torno de 7, próximo do neutro, para reduzir essas reações secundárias.

Um novo líquido suave e materiais sólidos compatíveis

A equipe escolheu sais comuns de magnésio e cálcio—MgCl₂ e CaCl₂—como base do líquido dentro da bateria. Esses sais formam soluções concentradas que podem armazenar e transportar muita carga, permanecendo quase neutros e já sendo usados com segurança em processamento de alimentos. Para trabalhar com esses líquidos, os pesquisadores sintetizaram uma família de sólidos orgânicos porosos, chamados polímeros orgânicos covalentes, para atuar como o eletrodo negativo. Ao alterar levemente a ligação química que une os blocos de construção desses polímeros, eles puderam ajustar quão facilmente o material aceita e libera elétrons e com que força atrai íons de magnésio ou cálcio. Uma versão, chamada Hex-TADD-COP, destacou-se por combinar transporte rápido de carga, boa estabilidade térmica e baixa tensão de operação, o que é desejável para parear com eletrodos positivos de alta voltagem.

Como a nova bateria armazena carga

No polímero escolhido, unidades repetitivas contêm átomos de nitrogênio arranjados de forma que podem captar e liberar temporariamente íons de magnésio ou cálcio conforme a bateria carga e descarrega. Usando uma combinação de modelagem computacional e vários tipos de espectroscopia, os pesquisadores demonstraram que esses sítios de nitrogênio coordenam reversivelmente os íons divalentes sem rasgar o polímero. Crucialmente, o líquido quase neutro contém muito poucos prótons livres, de modo que íons de hidrogênio desempenham quase nenhum papel no processo de armazenamento de carga. Experimentos em soluções mais ácidas revelaram que, quando prótons extras estão presentes, eles desencadeiam reações indesejadas, formam depósitos isolantes na superfície do eletrodo e encurtam rapidamente a vida útil do dispositivo. Em pH 7, em contraste, o eletrodo retém mais de 70 por cento de sua capacidade mesmo após cerca de 120.000 ciclos rápidos de carga e descarga, uma vida útil excepcionalmente longa para uma bateria aquosa.

Montando uma bateria completa e testando sua duração

Para demonstrar um dispositivo completo em funcionamento, a equipe combinou o novo eletrodo negativo de polímero com um eletrodo positivo feito de um composto tipo azul da Prússia contendo cobre e ferro. Nas soluções neutras de sais de magnésio ou cálcio, esse par produziu uma tensão de trabalho de até cerca de 2,2 volts—alta para uma bateria aquosa multivalente. Quando a massa total dos eletrodos e do líquido foi considerada, as células entregaram energias específicas de até aproximadamente 40–50 watt-hora por quilograma, comparável ou superior a muitos outros sistemas de magnésio ou cálcio. Igualmente importante, as células completas preservaram capacidade útil ao longo de 120.000 ciclos em corrente alta, e protótipos em formato de bolsa com eletrodos mais espessos também operaram de forma estável por milhares de ciclos, sugerindo potencial prático.

O que isso significa para armazenamento de energia mais limpo

O estudo mostra que é possível construir uma bateria recarregável de longa duração que usa uma solução salina neutra, de grau alimentício, e um eletrodo negativo orgânico projetado para evitar reações secundárias destrutivas. Mantendo o pH perto de 7 e confiando em elementos abundantes e não tóxicos como magnésio, cálcio, carbono, nitrogênio e ferro, os autores criam um dispositivo que, em princípio, pode ser descartado sem tratamento especial e ainda assim atender a rigorosos padrões ambientais. Embora sejam necessários mais esforços para aumentar ainda mais o conteúdo energético e otimizar a produção em larga escala, essa abordagem aponta para baterias mais seguras e ecológicas para aplicações em que longevidade extrema e baixo impacto ambiental são mais importantes do que extrair até a última unidade de energia.

Citação: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

Palavras-chave: baterias aquosas, armazenamento de íon magnésio, baterias de íon cálcio, eletrólitos neutros, polímeros orgânicos covalentes