3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

Imagine um mundo onde as paredes da sua casa, os pilares de uma ponte ou o pavimento de uma rua pudessem fazer mais do que apenas suportar peso. Elas poderiam também armazenar eletricidade, atuando como baterias gigantes e silenciosas que alimentam luzes, sensores ou até mesmo o próprio edifício. Essa ideia, conhecida como armazenamento de energia estrutural, é um sonho de longa data para os engenheiros. O desafio sempre foi encontrar um material que fosse forte o suficiente para construir, mas também capaz de manter uma carga como uma bateria. O concreto e o cimento são os materiais de construção mais comuns na Terra; são baratos, resistentes ao fogo e incrivelmente duráveis. No entanto, eles são naturalmente ruins em conduzir eletricidade, o que é essencial para o funcionamento de uma bateria. As baterias tradicionais dependem de misturas químicas delicadas mantidas juntas por ligantes plásticos, que são frágeis demais para servir como vigas estruturais. Por anos, cientistas tentaram transformar o cimento em uma bateria, mas os resultados eram frequentemente fracos, armazenando pouquíssima energia ou falhando após apenas alguns usos. O objetivo tem sido criar um material que seja tanto um bloco de construção sólido quanto um dispositivo de armazenamento de energia de alto desempenho.

Uma equipe de pesquisadores deu agora um passo significativo em direção a essa realidade ao conseguir imprimir em 3D uma bateria feita de cimento. Em vez de tentar forçar um design de bateria padrão dentro do concreto, eles desenvolveram um novo método que utiliza o processo natural de endurecimento do cimento para construir a estrutura interna da bateria. Eles criaram uma tinta especial feita de água, cimento e dois tipos de materiais de bateria: um que armazena carga positiva e outro que armazena carga negativa. Eles também adicionaram uma rede de minúsculas partículas de carbono para ajudar a eletricidade a se mover através da mistura. Quando essa tinta é expelida de uma impressora 3D, ela forma uma forma contínua. À medida que o cimento seca e endurece, ele passa por uma reação química chamada hidratação, que cria um esqueleto mineral que trava tudo no lugar. Esse esqueleto fornece a força, enquanto a rede de carbono garante que a eletricidade ainda possa fluir livremente. O resultado é um objeto sólido e impresso que parece e tem a sensação de um material de construção, mas funciona como uma bateria de íons de lítio recarregável.

Os pesquisadores testaram esse novo material imprimindo tanto o lado positivo quanto o negativo de uma bateria e, em seguida, conectando-os para formar uma célula completa. Eles descobriram que a bateria funcionou de forma notável. Quando testada em uma velocidade de carregamento lenta, o lado positivo pôde armazenar 157,5 unidades de energia por grama, e o lado negativo pôde armazenar 172,3 unidades. Esses números são comparáveis a muitas baterias comerciais padrão, provando que o cimento não estragou a atividade química dos materiais da bateria. Mais importante ainda, a bateria provou ser incrivelmente resistente. Após ser carregada e descarregada dez mil vezes, a bateria completa ainda mantinha 98,5 por cento de sua capacidade de energia original. Este nível de durabilidade é raro para baterias, especialmente aquelas feitas de um material tão bruto e poroso. O estudo mostrou que a estrutura de cimento realmente ajudou a proteger os materiais da bateria, mantendo-os estáveis mesmo enquanto se expandiam e contraíam durante o uso.

Além de apenas manter uma carga, o material demonstrou a segurança e a versatilidade necessárias para o uso real na construção. Ao contrário das baterias tradicionais que utilizam produtos químicos líquidos inflamáveis e partes plásticas, esta bateria à base de cimento é feita de minerais não inflamáveis. Em um teste direto, os pesquisadores aproximaram uma chama da bateria impressa por dez minutos. O objeto manteve sua forma, não derreteu e não pegou fogo, mostrando um nível de resistência ao calor que as baterias à base de plástico não conseguem igualar. O processo de impressão 3D também permitiu que os pesquisadores criassem formas complexas e camadas espessas sem que a bateria falhasse. Eles imprimiram eletrodos com diferentes espessuras, e a eletricidade fluiu tão bem pelas camadas grossas quanto pelas finas. Isso sugere que essas baterias poderiam ser impressas em grandes formatos personalizados para se ajustarem exatamente onde são necessárias em um edifício, em vez de serem forçadas em caixas retangulares padrão.

O estudo também abordou por que essa abordagem funciona onde outras falharam. Tentativas anteriores de fabricar baterias de cimento frequentemente falhavam porque o cimento bloqueava o movimento da eletricidade ou degradava os delicados produtos químicos da bateria. Os pesquisadores descobriram que, ao equilibrar cuidadosamente a mistura de cimento, materiais de bateria e carbono, eles podiam criar uma rede onde o cimento fornecia a força e o carbono fornecia a rodovia elétrica. Eles compararam sua tinta à base de cimento com outras misturas usando diferentes ligantes, como óxido de alumínio ou dióxido de silício, e descobriram que a versão de cimento teve o melhor desempenho. O cimento não apenas manteve a estrutura unida, mas também pareceu melhorar o fluxo de íons, as minúsculas partículas carregadas que transportam energia dentro da bateria. Essa combinação única de propriedades significa que o material não é apenas um recipiente passivo para energia, mas uma parte ativa e integrada do sistema de energia.

Este trabalho sugere um novo caminho para o futuro da construção. Ele vai além da ideia de simplesmente embutir uma bateria padrão dentro de uma parede e propõe que a própria parede possa ser a bateria. A capacidade de imprimir essas estruturas em 3D significa que arquitetos e engenheiros poderiam projetar edifícios com armazenamento de energia integrado, personalizados para a forma e necessidades específicas da estrutura. Os materiais utilizados são baratos e amplamente disponíveis, e o processo é escalável, o que significa que poderia ser usado para fabricar grandes quantidades desses componentes de armazenamento de energia. Embora a tecnologia ainda esteja na fase de pesquisa, os resultados mostram que é possível fundir os mundos da construção e do armazenamento de energia sem sacrificar a segurança, a força ou o desempenho. A bateria à base de cimento é uma prova de conceito de que os materiais que usamos para construir nosso mundo também podem alimentá-lo.