As baterias perdem capacidade gradualmente com o tempo de utilização, mas as causas microscópicas que levam à degradação têm sido, durante muito tempo, quase "invisíveis" para os cientistas.

As ferramentas de imagem tradicionais geralmente só permitem a análise de baterias desmontadas após os ciclos, sendo sempre um desafio extremamente difícil observar diretamente o movimento e as reações dos iões no interior da bateria, em condições reais de funcionamento com eletrólito líquido e com resolução espacial e temporal suficientemente elevadas.

Agora, este dilema conheceu um avanço. A equipa de investigação liderada pelo Professor Assistente Mao Xianwen, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Nacional de Singapura, desenvolveu uma nova técnica de microscopia denominada "nanoscopia ótica de localização iónica" (ion-localization optical nanoscopy, ION), que permite, pela primeira vez, a observação direta e a localização precisa de eventos de reação de iões individuais durante o funcionamento de uma bateria. Os resultados foram publicados na edição de maio de 2026 da revista científica internacional Nature Materials.

Esta tecnologia consegue converter a atividade iónica invisível em minúsculos cintilações de luz, com uma resolução espacial de cerca de 50 nanómetros e uma resolução temporal de 20 milissegundos, rastreando em tempo real o comportamento de iões individuais na interface dos materiais da bateria.

Com esta técnica, a equipa de investigação descobriu que, no interior de partículas aparentemente homogéneas, a reação é, na realidade, altamente heterogénea, existindo sinergias dinâmicas entre diferentes regiões — descobertas que oferecem uma perspetiva totalmente nova para compreender como as baterias se degradam lentamente.

Com base neste importante progresso, o jornalista da Zhongneng Media entrevistou em exclusivo Mao Xianwen sobre os avanços tecnológicos, o valor para a industrialização e as perspetivas de aplicação mais amplas.

Zhongneng Media: As baterias de metal são consideradas uma direção importante para a próxima geração de sistemas de armazenamento de energia, mas a sua industrialização é dificultada pela "vida curta e falha rápida". Como é que a sua tecnologia de imagem resolve este estrangulamento? Do ponto de vista da implementação industrial, que cenários de aplicação têm as baterias de zinco metálico e de lítio metálico, respetivamente?

Mao Xianwen: A questão central das baterias de metal não é "se conseguimos fabricá-las", mas sim "se conseguem funcionar de forma estável, duradoura e segura". O seu valor reside numa maior densidade energética e num potencial de elétrodo mais baixo, mas diferentes sistemas metálicos correspondem a diferentes direções industriais.

As baterias de zinco metálico destacam-se pelo baixo custo, alta segurança e abundância de recursos, sendo mais adequadas para armazenamento de energia em larga escala, como a integração de energias renováveis na rede, armazenamento do lado da rede, armazenamento em parques industriais e fontes de alimentação de reserva para centros de dados. Atualmente, empresas como a Eos Energy, ZincFive e SoftBank já fizeram progressos substanciais na comercialização de baterias à base de zinco.

Já as baterias de lítio metálico são mais adequadas para cenários de alta gama que exigem uma energia específica extrema, como drones de longa autonomia, eletrificação da aviação, economia de baixa altitude e futuros veículos elétricos com requisitos de autonomia ainda maiores.

O significado do nosso trabalho para a indústria centra-se precisamente neste estrangulamento crítico da "vida curta e falha rápida".

Tomando como exemplo as baterias de zinco metálico, o problema mais proeminente atualmente é a dissolução não uniforme do ânodo, levando à formação de "zinco morto", desativação da interface e, finalmente, rápida perda de capacidade. A tecnologia ION permite observar em tempo real, à escala de ião único e sub-partícula, a localização, o nível de atividade e a interação entre regiões da reação de dissolução do zinco. No passado, só se via a queda de desempenho global; agora, esta informação microscópica pode fornecer uma base mecanicista direta para projetar materiais de ânodo mais estáveis e de maior duração.

Zhongneng Media: Qual é o avanço central da tecnologia ION? Em comparação com meios de caracterização avançados tradicionais, como a microscopia eletrónica e a radiação síncrotron, quais são as suas vantagens únicas? Como passar de uma ferramenta académica para uma plataforma de I&D industrial?

Mao Xianwen: O avanço central pode, na verdade, ser resumido numa frase — pela primeira vez, transformámos "reações iónicas invisíveis" diretamente em sinais óticos observáveis e quantificáveis.

No passado, era possível ver a morfologia e estrutura das partículas, medir o desempenho eletroquímico global e até observar mudanças de concentração à escala de partícula única, mas era muito difícil ver diretamente, num ambiente de trabalho real com fase líquida, onde exatamente os iões se geram, que posições na interface são mais ativas e como as diferentes regiões interagem entre si.

A tecnologia ION inspira-se na ideia da microscopia de fluorescência de localização de molécula única, acoplando os iões gerados durante o processo de carga/descarga da bateria com um processo de resposta fluorescente específico, convertendo os eventos de geração de iões, originalmente invisíveis, em sinais de cintilação fluorescente que podem ser localizados com precisão.

Desta forma, conseguimos rastrear em tempo real o comportamento reacional de iões individuais, com uma resolução espacial de cerca de 50 nanómetros e uma resolução temporal de 20 milissegundos.

Em comparação com meios avançados como a microscopia eletrónica e a radiação síncrotron, a maior vantagem da ION não é uma resolução mais alta — na verdade, a resolução da microscopia eletrónica pode ser maior — mas sim o facto de ser mais próxima das "condições reais de funcionamento" e não destrutiva.

A microscopia eletrónica requer frequentemente ambientes de alto vácuo ou criogénicos, e a radiação síncrotron também necessita de irradiação com feixes de alta energia. Estas condições dificilmente mantêm o estado natural da reação eletroquímica em fase líquida e são propensas a causar danos por radiação.

A tecnologia ION, por outro lado, baseia-se numa plataforma ótica, permitindo a obtenção de imagens em condições de fase líquida, com corrente elétrica e funcionamento prolongado, praticamente sem danificar a amostra. Além disso, a plataforma ótica em si possui um custo relativamente mais baixo, maior rendimento e maior escalabilidade.

Para nós, o seu valor de industrialização reside precisamente aqui: não é apenas uma ferramenta científica para "explicar um mecanismo", mas tem o potencial de se tornar uma plataforma de I&D industrial para "aumentar a eficiência".

As empresas podem usá-la para comparar rapidamente as diferenças de reação local provocadas por diferentes materiais de ânodo, eletrólitos, aditivos e esquemas de modificação de superfície, permitindo assim selecionar, em menos tempo, sistemas de materiais mais uniformes, estáveis e de maior duração.

Se a desenvolvermos ainda mais a nível de engenharia, pode perfeitamente evoluir para uma plataforma de triagem de alto rendimento para empresas de baterias e materiais, encurtando o ciclo de desenvolvimento de materiais e reduzindo a dependência de tentativa e erro ineficientes em testes de ciclo de longa duração. Isto é realmente atrativo para empresas de armazenamento de energia, de materiais para baterias e até mesmo para empresas de equipamentos de caracterização avançada.

Zhongneng Media: Para além da investigação em baterias, que outras perspetivas de aplicação mais amplas tem esta tecnologia? Que papel pode desempenhar em áreas energéticas como o hidrogénio verde e o desenvolvimento de catalisadores?

Mao Xianwen: O significado mais amplo desta tecnologia reside no facto de não se limitar às baterias. Desde que existam "reações de interface com participação de iões" num sistema, este pode, em teoria, tornar-se seu objeto de aplicação. Isto inclui, entre outros, interfaces de ânodo e cátodo de baterias, reconstrução de eletrocatalisadores, processos de troca iónica, corrosão e passivação.

Tomando o hidrogénio verde como exemplo, um dos pontos-chave da eletrólise da água para produção de hidrogénio são os catalisadores. Tanto empresas como instituições de investigação desejam encontrar materiais catalíticos de menor custo, maior atividade, maior durabilidade e baseados em elementos abundantes na crosta terrestre. No entanto, a triagem de catalisadores envolve frequentemente ciclos longos, muita tentativa e erro e custos elevados. Uma dificuldade típica é a dissolução de metais de transição — um dos problemas-chave que afetam a estabilidade e a vida útil dos catalisadores.

Se alargarmos a tecnologia ION às reações catalíticas, combinando-a com sondas fluorescentes para iões específicos como o cobre, poderemos observar diretamente, em condições reais de funcionamento, o comportamento de dissolução de átomos metálicos em catalisadores à base de cobre ou outros processos eletrocatalíticos, revelando o mecanismo microscópico de desativação do catalisador à escala de ião único. Desta forma, os investigadores poderão determinar mais rapidamente qual o catalisador mais estável e qual a modificação de interface mais eficaz.

De uma perspetiva industrial mais macro, tanto as baterias de armazenamento de energia como os catalisadores para hidrogénio verde enfrentam atualmente um dilema comum: há muitos materiais candidatos, mas muito poucos são verdadeiramente eficientes, estáveis e de baixo custo, e o custo da triagem é muito alto.

Se for possível identificar mais rapidamente os mecanismos de falha local e as fontes de atividade através de uma plataforma de imagem de interface como a ION, o desenvolvimento de materiais poderá passar da tradicional tentativa e erro ineficiente para um fluxo de triagem mais eficiente, quantificável e previsível.

Para grandes empresas de energia, de materiais e de tecnologia de hidrogénio, o valor deste tipo de ferramentas reside na redução do ciclo de descoberta de materiais, na diminuição dos custos de I&D e na aceleração do tempo de chegada ao mercado. Acreditamos que, com o desenvolvimento técnico e a engenharia adicionais, a ION tem o potencial de se tornar uma plataforma de caracterização in-situ de uso geral para estudar mecanismos de reação de interface, desempenhando um papel cada vez mais importante na nova geração de armazenamento de energia, conversão catalítica, separação por membranas e investigação da estabilidade de materiais.

De uma perspetiva industrial mais macro, tanto as baterias de armazenamento de energia como os catalisadores para hidrogénio verde enfrentam atualmente um dilema comum: há muitos materiais candidatos, mas muito poucos são verdadeiramente eficientes, estáveis e de baixo custo, e o custo da triagem é muito alto.

Se for possível identificar mais rapidamente os mecanismos de falha local e as fontes de atividade através de uma plataforma de imagem de interface como a ION, o desenvolvimento de materiais poderá passar da tradicional tentativa e erro ineficiente para um fluxo de triagem mais eficiente, quantificável e previsível.

Para grandes empresas de energia, de materiais e de tecnologia de hidrogénio, o valor deste tipo de ferramentas reside na redução do ciclo de descoberta de materiais, na diminuição dos custos de I&D e na aceleração do tempo de chegada ao mercado. Acreditamos que, com o desenvolvimento técnico e a engenharia adicionais, a ION tem o potencial de se tornar uma plataforma de caracterização in-situ de uso geral para estudar mecanismos de reação de interface, desempenhando um papel cada vez mais importante na nova geração de armazenamento de energia, conversão catalítica, separação por membranas e investigação da estabilidade de materiais.