Bateria com sangue humano para substituir o lítio: como funciona esta inovação?

Em Espanha, uma equipa de investigação construiu uma célula de zinco–ar que usa hemoglobina - a proteína do sangue responsável pelo transporte de oxigénio - como catalisador no lado do ar. O objetivo é simples: reduzir insumos tóxicos, usar materiais abundantes e manter a densidade energética competitiva. O caminho até ao mercado parece longo, mas a ideia já está a transformar a conversa sobre o que uma bateria pode ser.

Como funciona a bateria de zinco–ar com hemoglobina

As baterias de zinco–ar captam oxigénio do ar ambiente. Um ânodo de zinco cede eletrões. No cátodo, o oxigénio ganha eletrões e transforma-se em iões hidróxido num eletrólito alcalino aquoso. Esses iões combinam-se com o zinco para formar zincato, que mais tarde se converte em óxido de zinco. O circuito fornece corrente enquanto a célula “respira”.

Nos designs clássicos, o cátodo de ar precisa de um catalisador para acelerar a reação de redução do oxigénio (ORR). Muitos laboratórios recorrem a platina ou a óxidos de manganês e de cobalto. O protótipo espanhol substitui esses materiais por hemoglobina, imobilizada perto do elétrodo de ar para que o ferro do grupo heme consiga ligar oxigénio e transferir eletrões. Ao usar uma molécula biológica, a equipa reduz a dependência de metais raros e aposta numa via catalítica inspirada em sistemas vivos.

A hemoglobina orienta a redução do oxigénio numa célula segura e aquosa, substituindo catalisadores de metais preciosos por uma proteína que o mundo já produz em escala.

O eletrólito mantém-se aquoso, o que reduz o risco de incêndio face aos solventes orgânicos das baterias de iões de lítio convencionais. O metal ativo é o zinco, um elemento abundante com uma cadeia de reciclagem bem estabelecida. O oxigénio vem “gratuitamente” do ar. Esta combinação sugere um caminho para menor custo e menor pegada ambiental, se a durabilidade e a escala de fabrico acompanharem.

O que muda com um catalisador de proteína do sangue

• Os materiais passam de óxidos à base de platina e cobalto para uma proteína que pode ser obtida ou projetada por engenharia.
• As células operam com eletrólito aquoso, reduzindo o risco de inflamabilidade.
• Potencial biodegradabilidade da camada catalítica após uso, dependendo de ligantes e suportes.
• Menores emissões incorporadas se a produção usar resíduos ou fontes recombinantes de hemoglobina.
• Novo espaço de design para eletrónica flexível ou transitória que favorece químicas benignas.

Porque o zinco–ar importa agora

O zinco–ar há muito que tenta engenheiros. A química oferece uma energia específica teórica muito elevada - frequentemente citada acima de 1.000 Wh/kg ao nível dos materiais - porque o oxigénio vem do ar, em vez de ter de estar contido na célula. Aparelhos auditivos usam zinco–ar primário há décadas. O que faltava era uma estratégia catalítica barata, eficaz e benigna que escalasse para além de dispositivos de nicho. Um catalisador biológico reabre essa questão e reposiciona o zinco–ar como candidato para armazenamento mais “verde” e de baixo custo, onde a energia por quilograma importa mais do que picos de potência.

Característica	Iões de lítio	Zinco–ar com hemoglobina (protótipo)
Metal ativo	Intercalação de lítio	Oxidação de zinco
Processo no cátodo	Intercalação em sólido	Redução de oxigénio a partir do ar
Eletrólito	Solvente orgânico	Alcalino aquoso
Risco de incêndio	Não nulo em caso de abuso	Mais baixo por conceção
Catalisador	Metais de transição, carbono	Hemoglobina no elétrodo de ar
Abastecimento de materiais	Níquel, cobalto em muitas químicas	Zinco, oxigénio, proteína
Maturidade	Mercado de massa	Protótipo inicial de laboratório
Principais obstáculos	Custo, segurança sob abuso, abastecimento	Estabilidade, recarregabilidade, fabrico

Desempenho e limites atuais

A biologia destaca-se em condições suaves e tamponadas. As baterias não. A hemoglobina enfrenta um ambiente pouco amigável num cátodo alcalino e rico em oxigénio. A proteína pode desnaturar com oscilações de temperatura, pH elevado ou espécies reativas de oxigénio. A atividade pode degradar-se à medida que o sítio heme se altera, o suporte seca ou contaminantes atingem a superfície. Isso encurta a vida útil.

Os investigadores estão a testar formas de estabilizar a camada catalítica. As opções incluem ancorar a hemoglobina em carbono poroso, incorporá-la em hidrogéis ou combiná-la com mediadores redox. A gestão da humidade no elétrodo de ar é importante porque as células de zinco–ar secam ou inundam se o fluxo de ar e a humidade variarem. O CO₂ do ar transforma o eletrólito em carbonatos ao longo do tempo, estrangulando o desempenho. Nada disto é trivial de resolver.

O zinco forma dendrites em algumas condições, o que complica a recarga. Muitas células de zinco–ar funcionam como dispositivos primários (não recarregáveis) por esta razão. Uma versão recarregável prática precisa de um cátodo bifuncional que execute bem tanto a ORR como a reação de evolução de oxigénio (OER). A hemoglobina ajuda a ORR; não impulsiona a OER. Isso aponta para arquiteturas híbridas ou módulos de cátodo de ar substituíveis para maior vida útil.

Espere-se que os primeiros sucessos ocorram em dispositivos de curta duração e baixo consumo, onde segurança, custo e materiais benignos importam mais do que milhares de ciclos profundos.

Onde poderá chegar primeiro

• Pensos médicos e implantes temporários que beneficiam de componentes biodegradáveis e baixa geração de calor.
• Wearables e embalagens inteligentes, onde células finas e seguras superam a necessidade de altas taxas de descarga.
• Sensores IoT distribuídos que consomem pouca energia e podem aceitar cartuchos de zinco substituíveis.
• Kits educativos e ferramentas de laboratório que demonstram biocatálise em sistemas de energia.

Papéis maiores - como armazenamento doméstico associado a solar - exigiriam grandes melhorias na vida do cátodo de ar, na gestão do eletrólito e em estratégias práticas de recarga. A química oferece, de facto, densidade energética por quilograma atrativa, mas dispositivos reais também precisam de potência estável, vida em prateleira razoável e desempenho previsível em diferentes climas.

Obter a proteína sem esgotar bancos de sangue

Ninguém planeia recorrer a fornecimentos médicos para fabricar baterias. A hemoglobina já circula por vários canais escaláveis. Subprodutos de matadouros fornecem hemoglobina animal a baixo custo. A produção recombinante em leveduras ou bactérias pode fornecer proteína de sequência humana com controlo rigoroso de qualidade. Análogos sintéticos do heme e miméticos enzimáticos (como hemina em carbono poroso ou estruturas metal–orgânicas) podem replicar o sítio ativo, melhorando a estabilidade. Cada via tem compromissos em pureza, custo e ética.

O uso industrial também enfrentaria verificações de bioprocesso: remoção de endotoxinas, esterilização que não desnature o catalisador e imobilização robusta que evite libertação de proteína. Rotulagem clara e orientações de eliminação seriam importantes, mesmo que o perfil global de toxicidade pareça suave face a cátodos ricos em metais.

O que observar a seguir

• Testes de estabilidade do cátodo de ar durante 1.000 horas sob humidade real e exposição a CO₂.
• Eletrólitos que tolerem acumulação de carbonatos ou que removam CO₂ na entrada.
• Métodos de imobilização da proteína que mantenham atividade após secagem e reaquecimento.
• Protótipos recarregáveis com catalisadores OER separados ou cátodos de modo duplo.
• Avaliações de ciclo de vida que comparem zinco, proteína, ligantes e suportes com químicas padrão de lítio.
• Fabrico piloto do elétrodo de ar em linhas roll-to-roll.

Pontos-chave destacados

A célula usa zinco e oxigénio ambiente, com hemoglobina a substituir metais preciosos no elétrodo de ar, visando armazenamento mais seguro e de menor impacto.

As principais barreiras são a estabilidade da proteína em meio alcalino, a secagem e carbonatação do cátodo de ar e o desafio de uma recarga limpa.

Contexto adicional para leitores

Duas reações governam o lado do ar. A reação de redução do oxigénio (ORR) usa O₂ e eletrões para formar hidróxido. A reação de evolução de oxigénio (OER) ocorre no sentido inverso durante a recarga. A maioria dos catalisadores é excelente numa e fraca na outra. Esta separação é a razão pela qual muitos sistemas de zinco–ar permanecem como células primárias, ou trocam elétrodos durante a carga. Um catalisador bioinspirado que equilibrasse ambas mudaria o jogo.

Curioso para ver como o conceito se apresenta na prática? Uma demonstração simples de secretária usa uma folha de zinco, um tecido de carbono, água salgada e ar aberto. A célula acende um LED enquanto “respira” através do carbono. Substitua o carbono por uma camada carregada com proteína e pode medir alterações na tensão e na potência. Os laboratórios fazem estes testes para mapear atividade e degradação. Mostra a promessa e a fragilidade num relance.

Os riscos residem sobretudo na durabilidade e na consistência, não na toxicidade aguda. Proteína desnaturada perde atividade, o que significa desperdício e custo. Fugas de eletrólito danificam eletrónica, pelo que vedações e gestão do ar são relevantes. Em contrapartida, a química aquosa reduz o risco de incêndio e a reciclagem do zinco está estabelecida. Se os investigadores conseguirem elétrodos de ar estáveis e de baixo custo, este caminho de zinco–ar assistido por biologia poderá conquistar nichos reais antes de tentar as “grandes ligas” do armazenamento em rede.