Engenharia eletrostática permite criar baterias mais rápidas e sem chumbo

Pesquisadores da Universidade de Cornell, nos EUA, desenvolveram baterias feitas com um material antiferroelétrico sem utilizar chumbo. A nova célula de energia consegue liberar descargas elétricas tão rapidamente quanto aquelas fabricadas exclusivamente com o metal tóxico.

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Existem apenas alguns materiais antiferroelétricos conhecidos na natureza e, a maioria deles, contém chumbo em sua composição. Essa característica estrutural faz com que eles não sejam seguros o suficiente para serem utilizados em aplicações do dia a dia, longe dos laboratórios.

“Algumas tecnologias exigem uma descarga mais rápida de energia, como os desfibriladores cardíacos. Para construir esses equipamentos, são utilizados materiais alternativos, principalmente os antiferroelétricos”, explica o professor de química industrial Darrell Schlom, coautor do estudo.

Antiferroelétricos sem chumbo

Assim como os ferroelétricos, os metais antiferroelétricos pertencem a uma classe de materiais que possuem bits de informação chamados dipolos, dispostos em um padrão comum. Nos ferroelétricos, os dipolos são orientados na mesma direção, enquanto nos antiferroelétricos, eles se alternam para cima e para baixo. Como os dipolos adjacentes se cancelam, o material não tem polarização específica.

Durante os experimentos, os pesquisadores testaram filmes finos de ferrita de bismuto — um ferroelétrico com a maior polarização que qualquer material conhecido. Eles empilharam camadas alternadas de ferrita de bismuto com outros isolantes para criar uma estrutura mil vezes mais fina que o diâmetro de um cabelo humano.

À medida que as camadas ferroelétricas de ferrita de bismuto se tornavam mais finas, eles perceberam que esse material com polarização altíssima estava se transformando em um composto antiferroelétrico sem polarização, dando origem a um estado até então desconhecido pelos cientistas.

"Normalmente, sempre estudamos a forma mais estável de um material — seu estado de energia mais baixo. Ao usar nossa tecnologia de filme fino, descobrimos ser possível estabilizar o que normalmente possui um estado de energia mais alto e inacessível", acrescenta a professora de química Julia Mundy, autora principal do estudo.

Engenharia eletrostática

O comportamento desses dipolos pode ser exemplificado como uma "batalha de dois gigantes", com o material ferroelétrico original tentando polarizar as camadas isolantes vizinhas na pilha de energia e as camadas isolantes ao redor procurando resistir a essa polarização constante.

Esse novo estado fundamental foi chamado pelos pesquisadores de polimorfo porque ele ainda possui os mesmos átomos observados em sua condição primitiva, apresentando apenas uma ligeira mudança estrutural causada por forças eletrostáticas aplicadas ao sistema.

“Por duas décadas, nós nos concentramos em alterar as paisagens energéticas e as propriedades dos materiais aplicando tensão e esticando filmes finos sobre um substrato de cristal. Agora, a engenharia eletrostática forneceu uma nova ferramenta para substituir o chumbo que não é mecânica, é elétrica”, encerra o professor Darrell Schlom.

Fonte: Cornell University