Design de baterias : aplicação de materiais naturais para microgeração de energia

Abstract

Os avanços tecnológicos, aliados ao aumento nos padrões de consumo de eletrônicos portáteis, têm estimulado a demanda por modelos de baterias cada vez menores e mais eficientes. No entanto, os materiais utilizados nestes dispositivos são normalmente tóxicos ou compostos por metais pesados, trazendo preocupações sobre a segurança de seu uso e descarte no meio ambiente. Neste contexto, o objetivo desta pesquisa é gerar informações técnico-científicas sobre a aplicação do suco de laranja como eletrólito no design de baterias para conversão e estocagem de energia em microescala. Para isso, foi analisado o desempenho do suco de laranja in natura atuando como eletrólito em seu estágio zero e em estágio envelhecido, tendo em vista sua origem renovável e alta disponibilidade. A metodologia utilizada possui abordagem quantitativa e foi realizada a partir do método experimental, incorporando técnicas de caracterização físico-química e eletroquímica para subsidiar a análise de desempenho elétrico dos materiais. Dentre as três variedades de frutos analisadas, a laranja Valência apresentou o melhor desempenho, com pH 3,37, condutividade elétrica mS 4,16 e potencial médio em circuito aberto de 0,9 V, em células compostas por eletrodos de zinco e cobre. Foi verificado que apesar de possuir desempenho distinto entre as variedades de frutos, o suco de laranja in natura possui potencial para atuar como eletrólito em baterias para microgeração de energia de 1,5 V, a partir da associação de 3 células em série. Experimentalmente, foi averiguado que uma microbateria de zinco-cobre composta por 3 células associadas em série e alimentada com 0,6 ml de suco, é capaz de manter um potencial nominal na faixa de 1,5 V, por pelo menos 8 horas, sob densidade de corrente constante de 10 μA. Bem como, é capaz de manter um LED ligado durante o período de 23 horas, sob corrente na faixa entre 35 mA e 55 mA. Além disso, foi verificado que o suco de laranja pode ser usado tanto em estágio zero, recém-extraído do fruto, como em estágio envelhecido, tornando possível o uso de refugos da indústria de sucos como matéria-prima para microgeração de energia.

Technological advances, combined with the increase in consumption patterns of portable electronics, have stimulated the demand for increasingly smaller and more efficient battery models. However, the materials used in these devices are usually toxic or composed of heavy metals, raising concerns about the safety of their use and disposal in the environment. In this context, the objective of this research is to generate technical-scientific information on the application of orange juice as an electrolyte in the design of batteries for converting and storing energy on a microscale. For this, the performance of fresh orange juice was analyzed, acting as electrolyte in its zero stage and in its aged stage, considering its renewable origin and high availability. The methodology used has a quantitative approach and was carried out using the experimental method, incorporating physical-chemical and electrochemical characterization techniques to support the analysis of the electrical performance of the materials. Among the three fruit varieties analyzed, the Valencia orange showed the best performance, with pH 3.37, electrical conductivity mS 4.16 and average potential in an open circuit of 0.9 V, in cells composed of zinc and copper electrodes. It was found that despite having a distinct performance between fruit varieties, fresh orange juice has the potential to act as an electrolyte in batteries for 1.5 V energy microgeneration, based on the association of 3 cells in series. Experimentally, it was found that a zinc-copper micro-battery composed of 3 cells associated in series and fed with 0.6 ml of juice, is capable of maintaining a nominal potential in the range of 1.5 V, for at least 8 hours, under constant current of 10 μA. As well as, it is able to keep an LED on for the period of 23 hours, under current in the range between 35 mA and 55 mA. In addition, it was found that orange juice can be used both in zero stage, freshly extracted from the fruit, as well as in an aged stage, making it possible to use waste from the juice industry as a raw material for microgeneration of energy.