Modelo computacional pode ajudar a otimizar baterias de íons de sódio

Pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) e colaboradores desenvolveram modelos computacionais simplificados que viabilizam o estudo preciso dos mecanismos de transporte em líquidos iônicos, materiais com potencial para uso em eletrólitos de baterias de íons de sódio. O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP em parceria com a Shell.

Baterias de íons de lítio são atualmente as favoritas da indústria. Bem consolidada e disseminada no mercado, essa tecnologia permite fabricar dispositivos leves e com alta densidade de energia. Entretanto, outras tecnologias despontam como alternativas, ou até mesmo substitutas, principalmente por prometer sustentabilidade e menor custo.

Uma das tecnologias mais promissoras nesse sentido é a de íons de sódio. Baterias desse tipo têm estrutura e operação semelhantes às das baterias de lítio, mas se baseiam no sódio – elemento mais abundante e bem distribuído geograficamente, que pode ser extraído por processos mais limpos e simples do que o lítio.

Contudo, a tecnologia de íons de sódio ainda precisa ser otimizada e, para isso, um dos principais desafios é compreender em detalhe os mecanismos de transporte dos íons de sódio, que se deslocam pelo eletrólito da bateria nos processos de carga e descarga. Tal compreensão pode ser alcançada por meio de estudos computacionais atomísticos, mas eles foram muito pouco utilizados até o momento com esse objetivo, devido ao tempo que demandam para atender o nível de detalhamento requerido.

Os modelos desenvolvidos pelos pesquisadores do CINE são do tipo coarse-grained, que se caracteriza por substituir um conjunto de átomos de determinada molécula por sítios de interação simplificados. “Isso reduz os longos tempos de cálculo/simulação dos modelos atomísticos, o que permite simular sistemas representativos de milhares de átomos e por longos tempos de simulação”, explica Rafael Maglia de Souza, um dos autores do estudo, em entrevista à Assessoria de Comunicação do CINE.

A partir da aplicação desses modelos coarse-grained, a equipe conseguiu descrever fenômenos relevantes para o desempenho das baterias, como a formação de agregados de sódio e líquido iônico, bem como seu impacto no transporte dos íons de sódio. Os resultados do estudo podem ser usados para desenvolver melhores baterias de íons de sódio.

“Esse novo entendimento permite otimizar as condições do eletrólito [como a concentração de sódio presente no líquido iônico] visando melhor performance da bateria”, diz Souza, que iniciou o estudo durante seu doutorado na Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto da USP, com orientação do professor Luis Gustavo Dias, que coordena um projeto sobre o tema apoiado pela FAPESP.

As simulações foram realizadas usando recursos computacionais brasileiros e canadenses. Os resultados foram divulgados em artigo no periódico científico Journal of Molecular Liquids.

* Com informações da Assessoria de Comunicação do CINE.