A geração de energia elétrica para o próximo milênio é um desafio a humanidade. Hoje há energia elétrica em grande escala que alteram as condições climáticas. A antiga utilização de radiação na geração de eletricidade apesar de menos poluentes, tem um ponto fraco, o lixo radiativo. Assim, é extremamente valioso possuir tecnologias alternativas que possam contemplar este ponto fraco e que ainda, independam de armazenamento, do vento ou de irradiação solar. O cientista russo Pavel Cherenkov em 1934 visualizou uma fraca luz azul quando colocou uma solução de ácido sulfúrico sobre sais radioativos de Rádio. Esta luz emitida quando partículas radioativas transitam em qualquer meio, mais rápido que a velocidade da luz, recebeu o nome de Luz Cherenkov (do inglês, Cherenkov light ou CL, em português, LC). Em pequena escala, o Prof Grimm, demonstrou que radioisótopos em material orgânico contendo nanopartículas (NP) (1) emitem luz em duas faixas de comprimento da luz visível. (2) Em estrutura 3D, a matriz orgânica contendo NP, a LC reemitida é amplificada em até 100 vezes. (3) Sendo que a quantidade e a distribuição específicas das NP intensificam a luminosidade e geram um pico secundário para a geração de Luz visível. A emissão de LC é bem comum em resíduos sólidos como os gerados a partir de usinas termonucleares, e duram de horas a décadas. O desafio do projeto é a reprodução desses experimentos preliminares, em condições centimétricas, porém adaptando as condições anteriores à uma configuração contendo células fotovoltaicas planares com eficiência quântica externa próxima a 100% no espectro de 400 a 750 nm. A partir deste, em conjunto a empresa Solid, customizar um modelo em escala maior para obter um mínimo produto viável e a venda e licenciamento a uma empresa produtora dos dispositivos. Para tal será feito aqui a (1) produção de lâminas de matrizes de proteínas contendo NP em diferentes combinações em quantidade, disposições e tamanhos para otimizar um protótipo que gere a quantidade máxima de luz permitida por espaço, que quanto em contato com radiação gerará luz que captada por uma célula solar específica gerará eletricidade. Ao final de 9 meses, o processo será otimizado para geração de eletricidade a partir de LC presente em fontes radioativas. Esta tecnologia é inovadora, pois permitirá a ressignificação dos resíduos radioativos (e.g., 233U), já estocados no mundo em facilities para geração de eletricidade constante. (AU)

É sugerido que a baixa eficiência energética de baterias de Li-O2 pode ser vencida modificando o mecanismo de reação da oxidação de Li2O2 a O2. O Li2O2 é produzido durante a descarga da bateria, com a redução do oxigênio a peróxido, o que pode acontecer por diferentes caminhos, dependendo do eletrólito. A formação de peróxido pode basicamente tomar dois mecanismos, via superfície ou via solução. O primeiro é o mecanismo mais convencional, onde as partículas de peróxido crescem na superfície do eletrodo positivo, que é dificultado pela baixa condutividade eletrônica do peróxido, o último acontece quando o intermediário superóxido tem estabilidade longa o suficiente para que o peróxido seja formado em solução, e então depositado na superfície do eletrodo. Este projeto irá estudar os dois mecanismos e encontrar maneiras de favorecer um deles com modificações em eletrólitos e eletrodos.

O objetivo deste projeto é gerar corrente de deslocamento de Maxwell a partir da perturbação do fluxo de campo elétrico conservativo. A motivação primária é instalar o produto gerado a partir dessa tecnologia no interior de Veículos Elétricos e Híbridos (VEHs), a fim de recarregar as baterias elétricas. Os materiais que serão utilizados consistem em FETs (Field-Effect Transistors), geradores iônicos (para gerar as cargas elétricas positivas e negativas) e um novo dispositivo denominado "condensador de cargas elétricas", que será desenvolvido e testado por este projeto de pesquisa. Os desafios científicos e tecnológicos são: i) produção e validação do condensador de cargas elétricas; ii) investigar se a origem (eletrostática ou não) do potencial elétrico interfere nos resultados finais de um experimento; iii) desenvolvimento de um protótipo que demonstre que a perturbação do fluxo de campo elétrico conservativo - utilizando FETs - é capaz de gerar corrente de deslocamento de Maxwell. Para tanto, a metodologia da pesquisa será experimental (atividades desenvolvidas no laboratório de eletrônica) e simulações computacionais integradas - modelo do experimento (desenvolvido em Python), do circuito eletrônico usando o SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) e simulações eletromagnéticas através do software ANSYS. Os procedimentos para validação do que se propõe compreendem carregar dois condensadores de cargas elétricas (um com cargas positivas e outro com cargas negativas). Tais cargas elétricas geram campo elétrico e potencial elétrico que são aplicados nos terminais fontes de dois FETs. Usando uma lógica booleana entre os FETs, a ideia fundamental é utilizar a intermitência do canal fonte-dreno para perturbar e propagar o fluxo de campo elétrico conservativo até o terminal dreno. Assim, para um observador no terminal dreno, o campo elétrico não é contínuo, mas sim variável (lei de Maxwell) - pois o campo elétrico depende da existência do canal para se propagar. O fluxo de campo elétrico induz cargas elétricas reais do terra, gerando uma corrente elétrica real de mesma intensidade da corrente de deslocamento de Maxwell. Portanto, o resultado esperado é produzir corrente elétrica na ordem de mA. O êxito dessa pesquisa originará uma solução disruptiva para o mercado global de VEHs, gerando recursos, visibilidade e alcance para a empresa proponente e para o Estado de São Paulo - além de toda rede de P&D e absorção de mão de obra qualificada na região de São José dos Campos, SP. (AU)

A TECCER vem investindo esforços em uma nova área de inovações de novos materiais para baterias avançadas. Por meio da absorção de conhecimentos desenvolvidos por pesquisadores de grupos de P&D em baterias nas Universidades e Institutos de Ciência e Tecnologia, a TECCER está desenvolvendo rotas piloto de produção de novos materiais para diferentes aplicações em sua mini planta piloto instalada para a produção de materiais ativos de PbC - Supercapacitor, voltadas à indústria nacional de bateria de chumbo ácido. Estes novos materiais ativos, aplicados tanto para as placas negativas como para as positivas, permitem que as baterias funcionem em estágio parcial de carga com o aumento da vida útil, necessário para as novas demandas em baterias avançadas acopladas a energias renováveis. Esses materiais também aumentam a aceitação de carga das baterias de chumbo ácido necessária para o uso em sistemas de freios regenerativos dos novos carros híbridos que serão lançados no Brasil. Para a produção desses novos materiais, a TECCER utilizará a rota da incorporação de nanocompósitos com base em carbono e óxido de nióbio. Esses novos materiais ativos evitam a sulfatação das placas negativas com consequente aumento da sua vida útil, aumentam consideravelmente a aceitação de carga para demandas conhecidas como cargas rápidas, com melhor eficiência energética por meio do aumento da área eletroquimicamente ativa, e agem como um supercapacitor. São vários os desafios para as a rotas de desenvolvimentos, entre eles: i) eliminar contaminantes metálicos na superfície do carbono; ii) sintetizar grupos funcionais de superfície; iii) aumentar os sobrepotenciais de evolução de hidrogênio; iv) aumentar a condutividade eletrônica da massa ativa; v) aumentar a capacitância; vi) aumentar os tamanho dos poros no carbono; vii) melhorar a afinidade do carbono pelo chumbo; viii) avaliar a interação com o componente orgânico da mistura do expansor em placas negativas; iv) avaliar a molhabilidade pela solução eletrolítica aquosa; x) aumentar a área eletroquimicamente ativa. O problema relatado desses novos materiais ativos com carbonos nanométricos é o aumento da evolução de gás H2, especialmente na placa negativa. Sendo assim, uma etapa importante do desenvolvimento é a adição de nanopartículas de óxidos metálicos inibidores dessas reações indesejáveis, como, por exemplo, os de nióbio. Esses materiais podem ainda exibir 'Pseudocapacitância' e participar nos processos eletroquímicos para gerar incrementos na interação química entre o chumbo e o nanocarbono. A TECCER usará a estratégia de desenvolver esses produtos de tal forma que possam ser adaptados à produção latino-americana de baterias, com o propósito de abrir o mercado nacional tanto para a venda de aditivos como para transferências tecnológicas. A viabilidade técnica e econômica dos nanocompósitos a base de PbO e Grafeno nanométricos foi comprovada, e os resultados informados no relatório da Fase I anexado no sistema Sage. Este projeto apresenta a continuidade da pesquisa e desenvolvimento com o aprofundamento da patente multieletrodo e as atividades para levar a escala os nanocompósitos como aditivos para baterias chumbo carbono. Também está sendo enviado plano de comercialização com estratégias de mercado. (AU)

Esta proposta visa fomentar o doutoramento do aluno Érick Alves Santos, com o foco na produção de baterias de lítio-enxofre (Li-S) no formato pouch cells, que tem dimensões de 5x7 cm e características arrojadas: 1300 mA h/gsulfur, 10 Ah e 1000 ciclos, com Technology Readiness Level (TRL) próximo de 6. O projeto será baseado nos avanços apresentados durante o período de mestrado do candidato, de modo que esperamos mitigar os problemas associados à química da bateria e engenharia inicial para aumento de escala do protótipo. Pensando nisso, o uso do católito como meio de adição de enxofre será avaliado, considerando sua razão de enxofre/eletrólito em diferentes concentrações. Com o objetivo de amenizar o efeito shuttle, catalisadores serão empregados no eletrodo de carvão ativado (CA), como, por exemplo, catalisadores à base de CoMnAlO, NWO e/ou MoS. Esses catalisadores podem atuar no efeito trapping dos polisulfetos de menor ordem (Li2S e Li2S2), como condutores iônicos e pontos de absorção destas mesmas espécies. Visando inibir o efeito dos dendritos na superfície de lítio metálico, métodos de recobrimentos a partir de aditivos no eletrólito serão investigados, como por exemplo os quasi-solid-state (QSS) a partir de matriz polimérica e crescimento de camadas de LiOH. Frente a estas propostas, almejamos alcançar um índice de maturidade 6 com as pouch cells multicamadas na conclusão desse projeto. Segundo a escala TRL, o nível 6 significa obter comprovação experimental de que a pouch cell funciona em condições nominais e estavelmente, não apenas em laboratório, mas também em ambiente relevante para aplicação. Além disso, haverá um esforço bastante acentuado do grupo para realizar testes fundamentais da célula em modo de operação via radiação sincrotron in-situ. Neste sentido, o projeto do candidato tem raízes fortes na ciência fundamental, utilizando técnicas de caracterização de ponta e com potencial aplicação comercial, como possível protótipo para geração de startup com mão de obra 100% nacional. (AU)

Para desenvolver e aprimorar baterias de íon de lítio, é importante um melhor entendimento do comportamento eletroquímico dos eletrodos, dos eletrólitos e suas respectivas interfaces. A interface eletrodo/eletrólito geralmente apresenta a formação de uma camada de passivação no eletrodo. Essa camada, conhecida como SEI (do inglês Solid-Electrolyte Interface), atua como isolante eletrônico e condutor iônico. A SEI depende das condições dos eletrólitos e especialmente do catodo. Os materiais para cátodos podem ser inúmeros neste trabalho iremos focar em materiais de alta capacidade específica como LiMnO2 (LMO), LiNiO2 (LNO) e LiFePO4 (LFP) com a finalidade de encontrar alternativas para substituir cátodos que contenha cobalto. Além das baterias que são sistema de alta densidade de energia, estudaremos supercapacitores que são sistema de potência e complementam as primeiras. Em relação aos supercapacitores, um objetivo importante desse trabalho é estudar a degradação dos eletrodos de carbono em diferentes sistemas. Dentro deste contexto serão realizados: (a) síntese e caracterização de novos eletrodos assim como de eletrólitos, em supercapacitores e baterias; (b) a caracterização da interface entre o eletrodo e eletrólito; (c) estudo da evolução dos eletrodos e eletrólitos no transiente de potencial; (d) estudo de degradação do eletrodo e eletrólito em potenciais abusivos; e (e) a formação de filmes de passivação, como a camada SEI nas baterias de íon de lítio. A caracterização eletroquímica in-situ será feita com células de dois ou três eletrodos. Para complementar a investigação eletroquímica, o FTIR será empregada espectroscopia FTIR in-situ e operando para estes tipos de células pela primeira vez no Brasil. Para auxiliar na interpretação dos dados FTIR operando, técnicas de caracterização operando de suporte como espectroscopia Raman e análise de gases nos ajudarão a entender melhor os mecanismos envolvidos. Técnicas adjacentes como Raman, XPS, XRD ex situ tambem serão empregados em amostra como preparadas e post-mortem. (AU)

O eletrólito tem papel importante no desempenho da bateria Li-O2 e há muitas propriedades que ele precisa ter. Entre elas, solubilidade de O2 e estabilidade eletroquímica são extremamente importantes para se obter alta capacidade e longa vida útil. Além disso, talvez a característica mais importante que o solvente precisa ter é baixa volatilidade, já que o eletrodo positivo é aberto para o acesso de O2, e a troca de gases durante a carga e descarga pode levar a perda de eletrólito, se o solvente for volátil. Entender o papel do eletrólito na eletroquímica da reação de O2 irá ajudar na construção de baterias Li-O2 mais eficientes.

Nos últimos 30 anos, as baterias de lítio-íon se tornaram a tecnologia de armazenamento de energia mais utilizada no mercado, entretanto, recentes projeções têm mostrado que nas próximas décadas o Li poderá se tornar escasso devido ao aumento da demanda por baterias. Devido às similaridades com o Lítio, a grande abundância de sódio no planeta, e os custos dos materiais utilizados nos componentes, as baterias de sódio-íon têm sido consideradas promissoras candidatas para a substituição das baterias de lítio-íon. Embora Na e Li+ apresentem similaridades químicas, as baterias de sódio-íon apresentam algumas incompatibilidades com os materiais utilizados nos eletrodos comerciais das baterias de lítio-íon. Os ânodos de grafite apresentam uma intercalação desfavorável para o íon sódio devido à incompatibilidades termodinâmicas, enquanto que os cátodos de óxidos de metais de transição apresentam certas instabilidades devido à mudanças de fase causadas pelas modificações das concentrações de Na+ durante o ciclo eletroquímico. Para os eletrólitos, a principal desvantagem em relação às baterias de Li+ são as reações indesejadas na superfície dos ânodos e a formação da Interface Sólida do Eletrólito (ISE). Desta maneira, é evidente a necessidade do desenvolvimento de novos materiais específicos para as baterias de sódio-íon. O presente projeto possui como objetivo a realização de um screening computacional em multiescala utilizando desde métodos ab initio até cálculos no contínuo para materiais específicos para aplicações em ânodos e eletrólitos em baterias de sódio-íon. A escolha de uma abordagem computacional se dá pela facilidade de acessar informações à nível atomístico e realizar as correlações com dados experimentais, assim como os baixos custos envolvidos e a possibilidade de se testar uma larga gama de materiais. Com o desenvolvimento de uma metodologia em multiescala para o estudo de baterias de sódio-íon, também será possível realizar estudos envolvendo diferentes tipos de baterias, como K, Ca, e Mg. (AU)

Na respiração celular existem dois componentes móveis que fazem parte da cadeia de transporte de elétrons: a ubiquinona (Coenzima Q10) que conecta o Complexo I ao II e ao III, e o citocromo C, que conecta o Complexo III ao IV. Tais componentes ocorrem em um meio viscoso (membrana interna das mitocôndrias) com pH controlado e apresentam E1/2 H -400 mV (Ag/AgCl, pH H 7,0) para a ubiquinona e E1/2 H 200 mV (Ag/AgCl, pH H 7,0) para o citocromo. Neste projeto de doutorado propomos mimetizar a cadeia respiratória em uma bateria, utilizando-se moléculas redox reversíveis em hidrogéis estáveis e um sistema separador/hidrogel. Como a reversibilidade eletroquímica depende da superfície eletródica, propõe-se desenvolver diferentes superfícies sensíveis às moléculas redox, utilizando eletrodos de fibras flexíveis de carbono modificados com nanoestruturas de carbono com elevada área superficial. Estes eletrodos serão avaliados em hidrogéis naturais e sintéticos, visando as aplicações em baterias biomiméticas orgânicas e organometálicas. Com este projeto mimetizando parte do sistema complexo da respiração celular, vislumbra-se obter uma de bateria com eletrólitos brandos e biocompatíveis, que possa ser aplicada como bateria implantável e em dispositivos bioeletrônicos. (AU)