Anna Paulla Soares

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Federal de Goiás (UFG) descobriu uma maneira de aumentar em até 10% a densidade de energia de supercapacitores – dispositivos de armazenamento de energia considerados capacitores turbinados, combinando alta densidade de potência e boa capacidade de armazenamento de energia (mas sem as reações químicas das baterias).

Por meio de simulações computacionais avançadas, eles demonstraram que a troca de um íon de brometo (Br⁻) por um de cloreto (Cl⁻) no líquido que preenche o dispositivo (eletrólito) não só eleva sua eficiência energética, como também o torna mais seguro e sustentável. A descoberta, destacada na capa do periódico internacional The Journal of Physical Chemistry C, abre caminho para o desenvolvimento de, por exemplo, carros elétricos com maior autonomia e eletrônicos portáteis mais leves e potentes.

O estudo foi conduzido pelos professores Leonardo Oliveira, do Departamento de Física do Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada à Educação (Cepae), e Tertius Fonseca e Guilherme Colherinhas, do Instituto de Física (IF) da UFG. Também participaram os doutorandos Lucas de Sousa Silva e Henrique de Araujo Chagas, orientandos de Guilherme, vinculados ao Programa de Pós-Graduação em Física do IF.

O que são supercapacitores?

Diferente de uma bateria comum, que gera energia por meio de reações químicas lentas, o supercapacitor acumula energia em um campo elétrico, de forma parecida com a eletricidade estática. "É como um capacitor turbinado: armazena energia elétrica, mas tem a vantagem de carregar e descarregar muito rápido e durar muito mais tempo", explica Lucas de Sousa Silva, um dos autores do estudo.

Essa capacidade de liberar e absorver energia rapidamente é importante para as tecnologias modernas, como os carros elétricos, cujos supercapacitores fornecem a energia extra necessária para a aceleração, recuperando a potência perdida durante as frenagens. Isso alivia o desgaste da bateria principal do automóvel, que alimenta os supercapacitores, e aumenta a eficiência geral do veículo.

O objetivo da pesquisa, segundo o pesquisador Henrique Chagas, era compreender como mudanças simples na composição do eletrólito poderiam impactar o desempenho dos dispositivos. A hipótese inicial era a de que substituir o íon brometo (Br⁻), mais pesado, pelo íon cloreto (Cl⁻), mais leve, alteraria as propriedades do sistema.

Benefício em dobro

As simulações confirmaram a suspeita de forma positiva. A troca de íons pode resultar em um aumento de até 10% na densidade de energia gravimétrica armazenada, o que significa que os dispositivos podem se tornar mais leves e, ao mesmo tempo, mais eficientes. "Conseguimos armazenar mais energia utilizando menos massa", detalha Henrique.

A boa notícia é que esse ganho de energia veio sem prejuízos: "O fato de a estabilidade eletroquímica do dispositivo ter sido preservada significa que o ganho de energia veio sem prejudicar a segurança e a confiabilidade do supercapacitor, o que é essencial para aplicações reais", explica Henrique. Qualquer instabilidade poderia comprometer o funcionamento e a vida útil do aparelho.

Além do ganho de performance, a substituição também traz benefícios ambientais e de segurança. O cloreto, componente do sal de cozinha comum, é mais abundante, barato e consideravelmente menos agressivo ao meio ambiente que o brometo. "O brometo tem riscos ambientais e pode gerar subprodutos tóxicos. A troca torna o eletrólito mais sustentável e seguro para produção em larga escala", afirma Lucas. Isso reduz os riscos em caso de vazamento ou no momento do descarte do dispositivo.

Laboratório digital

Os pesquisadores utilizaram simulações de dinâmica molecular, uma espécie de "laboratório virtual" que permite observar o comportamento dos átomos e moléculas em um computador. "As simulações nos permitem realizar análises detalhadas em escala atômica antes mesmo de recorrer a experimentos", explica Henrique.

Essa abordagem economiza meses de trabalho e evita o alto custo com reagentes e equipamentos, permitindo testar diversas combinações para identificar as mais promissoras. O maior desafio, segundo os cientistas, foi analisar a enorme quantidade de dados gerada pelas simulações, um trabalho que exigiu meses de dedicação.

O grupo de pesquisa, que se dedica exclusivamente à parte teórica, espera que suas descobertas inspirem grupos experimentais a validar os resultados em laboratório. "Nosso papel é buscar soluções e alternativas por meio das simulações, indicando caminhos promissores", conclui Henrique.

"O próximo passo dentro da nossa linha de atuação é ampliar os estudos teóricos, testando outras combinações de íons e materiais de eletrodo para entender como essas variações afetam o desempenho. Acreditamos que esses resultados poderão servir de base para grupos experimentais validarem as descobertas em laboratório, em colaborações futuras", afirma Lucas.

Acesse aqui o artigo Impact of Chloride and Bromide Composition in Ionic Liquid/Water Electrolytes on the Electrochemical Performance of Graphene-Based Supercapacitors: A Molecular Dynamics Study.