Cerca de 6 a 8 milhões de toneladas de resíduos de casca de caranguejo, camarão e lagosta são gerados em todo o mundo a cada ano, a maioria dos quais é despejada diretamente no oceano ou depositada em aterros por países.
O problema não é a enorme quantidade de lixo jogado na mesa de jantar, é a oportunidade perdida. Caranguejos e seus robustos exoesqueletos marinhos são ricos em produtos químicos benéficos e versáteis, incluindo carbonato de cálcio medicinal e industrial e quitina, seu segundo polímero natural mais abundante na Terra.
Ao longo dos anos, os cientistas extraíram quitina de conchas de crustáceos para uso em tudo, desde engenharia de tecidos até fabricação de plásticos biodegradáveis. Como ele e seu polímero irmão quitosana são considerados ecologicamente corretos e não tóxicos, há um grande interesse em incorporar esses compostos nas baterias de tudo. Informações do portal popular mechanics.
Em um artigo publicado no início deste mês na revista Matter, um grupo de engenheiros da Universidade de Maryland fez exatamente isso, criando uma impressionante bateria de quitina-zinco que é biodegradável, mas ainda contém energia elétrica considerável. À medida que o mundo se move em direção a um futuro mais sustentável, a esperança é que uma bateria recarregável derivada de caranguejo possa ser uma alternativa viável ou até mesmo um substituto para baterias de íons de lítio, que estão aumentando em demanda (olá, EVs!). Ao mesmo tempo, o próprio lítio está se tornando um recurso escasso.
“Esta é uma aplicação realmente empolgante da quitina, aproveitando sua renovabilidade e potencial de ligação ao zinco para fazer novos materiais de eletrodos”, Mark MacLachlan, professor de materiais supramoleculares da Universidade da Colúmbia Britânica, que não esteve envolvido no estudo. , informa a Popular Mechanics em um e-mail.
Tudo que você precisa é de elétrons (e alguns metais condutores)
A faísca que liga o seu telefone é graças a alguma química acontecendo nas profundezas de uma bateria.
Reações químicas chamadas reações redox produzem uma batida constante de corrente elétrica na forma de elétrons em movimento. Estes viajam através de um circuito que consiste nos eletrodos da bateria (feitos de dois metais condutores diferentes), seu eletrólito químico (um gel ou material semelhante a líquido contendo partículas carregadas chamadas íons) e qualquer aparelho ou dispositivo ao qual a bateria esteja conectada.
Há uma variedade de metais e eletrólitos usados em uma bateria. Por exemplo, em sua bateria alcalina doméstica comum, o eletrodo positivo (o cátodo) é feito de óxido de manganês e o eletrodo negativo (ou ânodo) é feito de zinco mineral. O eletrólito intermediário é o hidróxido de potássio. Em baterias de íon-lítio, o lítio normalmente combina com outro metal como cobalto no cátodo e carbono no ânodo, e também compõe o eletrólito.
As baterias de íon-lítio são a estrela em ascensão do mundo da energia por serem leves, mas com muita energia (e são recarregáveis, para começar). Sem surpresa, essas baterias chegaram a quase todos os dispositivos eletrônicos e veículos elétricos nas últimas décadas, mas a mineração de lítio cobra um preço pesado e devastador para o meio ambiente. Além disso, as baterias de íons de lítio não são facilmente degradáveis ou recicláveis, o que não as torna totalmente compatíveis com a sustentabilidade – pelo menos em sua forma atual.
“As baterias recarregáveis como fontes de energia verde são essenciais para reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis e reduzir a emissão de gases de efeito estufa. No entanto, com a crescente demanda por veículos elétricos nos últimos anos, grandes quantidades de baterias estão sendo produzidas e consumidas, aumentando a possibilidade de problemas ambientais”, diz Meiling Wu, primeiro autor do novo estudo e pós-doutorando na Universidade de Maryland. em um e-mail para a Mecânica Popular. “Por exemplo, separadores de polipropileno e policarbonato, que são amplamente usados em baterias de íons de lítio, levam centenas ou milhares de anos para se degradar e sobrecarregar o meio ambiente.”
Caranguejos ao resgate
Os cientistas brincaram com a quitina nos últimos anos, procurando maneiras de incorporar a substância orgânica – que é estruturalmente semelhante à celulose nas plantas – em baterias. Em 2016, MacLachlan e seu laboratório na Universidade da Colúmbia Britânica descobriram que quando você cozinha quitina com nitrogênio a temperaturas de até 1.652 graus Fahrenheit, ela transforma as antigas cascas de caranguejo em um material carbono-nitrogênio adequado para eletrodos.
Mas Wu e seus colegas da Universidade de Maryland optaram por uma abordagem diferente. Seu foco estava em baterias à base de zinco, que são uma bateria descartável comum, mas não recarregável. Como o mineral está mais prontamente disponível em comparação com o lítio (leia-se: mais barato de produzir e fornecer) e menos tóxico (as baterias de zinco usam água como eletrólito), tem havido muito interesse no zinco como nosso cavaleiro de energia branco-prateado.
Trocar o lítio pelo zinco não é fácil, no entanto. Nas baterias como eletrodo, o zinco tem uma tendência irritante de formar irregularidades em sua superfície. Essas irregularidades se formam à medida que os elétrons se movem e borbulham em pequenas protuberâncias que se transformam em bolas de neve cada vez maiores chamadas dendritos, que interrompem a corrente elétrica da bateria.
Como a quitosana, um derivado quimicamente tratado da quitina, interage bem com a água e é capaz de impedi-la de flutuar à vontade, Wu e seus colegas acreditavam que poderiam usá-la para fazer um separador de bateria – uma membrana semipermeável que mantém os eletrodos de carga oposta separados – isso também é biodegradável.
Então como eles fizeram? Os pesquisadores pegaram um filme de quitosana do tamanho de uma moeda e o banharam em uma solução cheia de zinco para fazer o mineral grudar no filme. Em seguida, eles torceram o filme de quitosana-zinco e o apertaram firmemente para embalá-lo densamente. Ao contrário das tentativas anteriores de densificar filmes de quitosana, esta técnica permitiu poros comparativamente grandes (até cinco micrômetros de tamanho), permitindo o livre movimento de íons, Jodie Lutkenhaus, professora de engenharia química da Texas A&M University, que não esteve envolvida neste estudo , diz Mecânica Popular.
“Isso é fundamental porque quando você pensa em uma concha de crustáceo, pensa que ela é muito dura e densa, e isso não é bom para conduzir íons”, diz Lutkenhaus, que fez pesquisas sobre baterias derivadas de orgânicos.
Para completar a construção, um ânodo de zinco foi colocado no topo do separador de quitosana-zinco junto com um cátodo feito de um composto orgânico chamado poli(sulfeto de benzoquinonil), ou PBQS. Quando Wu e seus colegas testaram sua bateria de siri no laboratório, não viram nada daquela formação dendrítica no ânodo de zinco. Impressionantemente, gerou uma corrente elétrica de 50 miliamperes por centímetro quadrado por 400 horas (ou 1.000 ciclos de carregamento), o que é próximo do que as pequenas baterias de lítio são capazes.
Em seguida, eles enterraram o eletrólito à base de quitosana, não a bateria inteira, para ver quanto tempo levaria para se degradar. Wu diz que eles descobriram que levou cerca de cinco meses para que os microorganismos que vivem na sujeira comem o eletrólito, o que é muito mais rápido em comparação com os eletrólitos convencionais em aterros sanitários e definitivamente bom para o meio ambiente.
“Isso não significa que o próprio dispositivo de bateria se degradará em cinco meses”, diz ela. “Na verdade, o eletrólito é embalado em uma célula fechada, separada do ar e dos organismos. Esse tipo de dispositivo pode funcionar por muito mais tempo.”
O futuro das baterias à base de quitosana
Embora você não veja baterias de casca de caranguejo tão cedo, os pesquisadores esperam que suas baterias possam se tornar comuns, usadas em dispositivos eletrônicos como seu celular para armazenamentos dedicados para energia renovável que são liberadas para uma rede comercial.
Considerando que a quitosana custa apenas cerca de US $ 1,70 por grama e você não precisa de muito para fazer seu protótipo (apenas cerca de 20 microgramas para uma bateria do tamanho de uma moeda de 20 milímetros), isso pode dar à bateria de quitosana-zinco uma vantagem de preço sobre baterias de íon de lítio, que sofrem com a demanda crescente e os custos associados.
No entanto, com as altas temperaturas das mudanças climáticas atingindo a vida marinha com mais força, há a questão do que acontecerá com os custos se as baterias feitas de quitosana decolarem. Também vale a pena pensar em quão verdadeiramente verde seria seu uso no futuro – temos que considerar a pegada de carbono das atividades associadas à recuperação de quitina e transformá-la em quitosana.
“Acho que o próximo passo importante seria fazer uma análise técnico-econômica para examinar qual é a produção global de quitosana e se vamos, digamos, aplicá-la ao armazenamento de energia em escala de rede, temos acesso suficiente a isto?” diz Lutkenhaus. “Se começarmos a usá-lo, isso mudará o preço por causa da demanda … [Também] envolvido nisso está a análise do ciclo de vida … a pegada de carbono da captura de crustáceos, transporte e processamento deles.”
Felizmente, diz Wu, temos outras fontes de quitina, como em insetos e nas paredes celulares de fungos, então não é totalmente um fracasso se uma fonte marinha cair no esquecimento. E embora ninguém até agora tenha tentado sintetizar quitina em laboratório, quem sabe o que o futuro reserva. No momento, parece que nossos resíduos de frutos do mar salgados podem ser uma solução para nossos atuais problemas de energia.
