Protótipo da bateria de nióbio, que teve a patente depositada, apresentou operação consistente nos testes - Crédito: Divulgação O nióbio é um material usado como aditivo em baterias de lítio; porém, sua utilização como elemento principal do armazenamento de energia era limitada por sua alta instabilidade. Com o objetivo de alterar essa realidade, pesquisadores da USP São Carlos desenvolveram uma bateria capaz de “domar” o nióbio, criando um ambiente estável para permitir que o metal reaja e converta energia química em elétrica.
O dispositivo, que teve a patente depositada, tem potencial para a produção de baterias mais seguras e com maior densidade energética, além de reduzir o emprego de matérias-primas como o lítio, o cobalto e o níquel.
“Abundante no Brasil, o nióbio é um metal de transição estratégico, com a capacidade singular de acessar múltiplos estados de oxidação, podendo trocar até cinco elétrons. Do ponto de vista eletroquímico, isso representa um potencial energético muito elevado”, afirma ao Jornal da USP o professor Frank Crespilho, do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP, coordenador da pesquisa. “Por esse motivo, o nióbio vem sendo pesquisado há anos no contexto de baterias de lítio, geralmente como aditivo, mas não como o elemento ativo central do armazenamento de energia.”
“A principal dificuldade é a altíssima reatividade do nióbio. Em ambientes convencionais, ele oxida de forma descontrolada e cria camadas passivas que bloqueiam a transferência de elétrons”, diz o professor. “Durante décadas, isso foi considerado um bloqueio químico praticamente intransponível”, destaca.
Crespilho faz uma analogia com uma banda de rock para explicar o comportamento químico do metal: “O nióbio sempre foi como um guitarrista genial, extremamente talentoso, mas impossível de controlar. Se colocado em um ambiente errado, ele entra em feedback, distorce tudo e o show acaba antes de começar”.
Por isso, durante muito tempo, “a solução foi deixá-lo no fundo do palco, como coadjuvante, nunca como protagonista”, compara.
“O que fizemos foi criar o ambiente certo, o ‘estúdio’ adequado, onde esse guitarrista pode tocar no limite do seu potencial sem destruir o sistema”, acrescenta o professor. “Ao controlar o ambiente químico ao redor do nióbio, ele passa a operar de forma previsível, reversível e estável, permitindo que finalmente assuma o papel principal em uma bateria, algo que os sistemas eletroquímicos clássicos nunca conseguiram fazer.”
INSPIRAÇÃO EM SISTEMAS BIOLÓGICOS – A pesquisa foi desenvolvida no Grupo de Bioeletroquímica e Interfaces do IQSC, com apoio da doutoranda Luana Italiano e dos pós-doutorandos Graziela Sedenho e Rafael Colombo. “Em 2014, no California Institute of Technology (Caltech), trabalhei com endonucleases – enzimas que usam metais altamente reativos em seus sítios ativos – e o que me chamou a atenção foi o fato de esses metais não se degradarem, justamente porque a proteína cria um microambiente químico extremamente bem controlado, regulando de forma precisa a coordenação, o acesso do solvente e a transferência eletrônica”, conta Crespilho.
Essa visão se aprofundou mais tarde, em 2018, na Universidade de Harvard, onde ele trabalhou com quinonas bioinspiradas aplicadas a baterias redox. “Ali, ficou claro que a reversibilidade eletroquímica não depende apenas do material em si, mas, sobretudo, do ambiente molecular que o envolve. Ao transpor esses conceitos para o nióbio, tornou-se evidente que o problema histórico nunca foi o metal, mas o ambiente inadequado em que ele era inserido.”
“Em vez de tentar ‘domar’ o nióbio à força, criamos um microambiente artificial inspirado na biologia, capaz de cooperar com o metal, estabilizar seus estados de oxidação e permitir sua operação reversível”, destaca o pesquisador. “Esse princípio foi central para viabilizar a primeira bateria genuinamente baseada em nióbio, e não apenas em combinações de nióbio com outras químicas convencionais.”
Crespilho explica que o dispositivo funciona a partir de duas camadas complementares. “A primeira é a arquitetura NB-RAM, que cria uma verdadeira ‘caixa de proteção química’ ao redor do nióbio, que controla localmente a coordenação química, a atividade redox e a disponibilidade eletrônica do metal, impedindo oxidações descontroladas”, descreve. “A segunda camada é o que chamamos de N-MER, que pode ser entendido como o mecanismo eletrônico-redox. Ele funciona como um regulador fino e governa a forma como os elétrons entram, são armazenados e saem do nióbio, dentro desse ambiente controlado.”
“Na prática, essa combinação permite que o nióbio transite entre seus estados de oxidação de forma escalonada, reversível e estável, explorando múltiplos elétrons do mesmo metal”, observa o professor. “Isso viabiliza tensões da ordem de 3 volts, algo inédito para sistemas genuinamente baseados em nióbio.”
Segundo Crespilho, os protótipos demonstraram operação consistente com múltiplos ciclos de carga e descarga, alta reversibilidade eletroquímica e uma janela de potencial significativamente superior à prevista para o nióbio em sistemas eletroquímicos clássicos. “Esses resultados validam o conceito e colocam o nióbio, pela primeira vez, como um candidato real e competitivo para tecnologias de armazenamento de energia livres de lítio.”
VALOR TECNOLÓGICO, INDUSTRIAL E GEOPOLÍTICO – O professor enfatiza que o depósito da patente foi feito pela USP, assegurando que a propriedade intelectual permaneça no Brasil. “Se olharmos a história das baterias de lítio, houve um longo intervalo entre a ciência fundamental, o reconhecimento do potencial tecnológico e a consolidação industrial, período em que muitos países perderam a oportunidade de capturar valor estratégico, ficando apenas como fornecedores de matéria-prima”, aponta.
No caso da bateria de nióbio, ele acredita que esse caminho pode e deve ser encurtado. A ciência já nasce integrada à aplicação, com um princípio de funcionamento claro e proteção intelectual depositada no Brasil. O passo imediato é acelerar o depósito internacional da patente, de forma coordenada, para garantir segurança jurídica e soberania tecnológica.
“Em seguida, avançamos simultaneamente em engenharia de materiais, escalonamento industrial e validação em protótipos avançados, com testes de durabilidade, segurança e padronização compatíveis com linhas industriais existentes”, salienta Crespilho. “A ciência fundamental está feita; agora a prioridade é transformar rapidamente conhecimento em tecnologia, mantendo o controle nacional da inovação desenvolvida na USP e assegurando que o nióbio gere valor tecnológico, industrial e geopolítico para o Brasil.” (Com informações da Agência SP).
