Estudo computacional avalia novos eletrólitos para baterias do futuro

Trabalho investigou detalhadamente compostos que podem ser usados como eletrólitos em dispositivos de íons de sódio, elemento abundante e bem distribuído em todo o planeta; equipamentos são muito promissores no armazenamento de energia excedente de parques solares e eólicos

Agência FAPESP* – Um estudo computacional publicado no Journal of Molecular Liquids traz contribuições importantes para o desenvolvimento de novas baterias seguras e de alto desempenho. Realizado por uma equipe de pesquisadores ligados ao Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) com colaboradores da Universidade de Bonn (Alemanha), o trabalho investigou detalhadamente compostos que podem ser usados como eletrólitos em baterias de íons de sódio.

O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018. O centro é sediado na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade de São Paulo (USP) e Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras.

Baseadas no sódio, elemento abundante e bem distribuído em todo o planeta, essas baterias são consideradas muito promissoras, principalmente para armazenar a energia excedente de parques solares e eólicos. Seu funcionamento se baseia no deslocamento de íons de sódio entre os eletrodos da bateria, atravessando o eletrólito, durante a carga e a descarga do dispositivo.

Entre os compostos mais estudados para conduzir esses íons no eletrólito estão os líquidos iônicos, uma família de sais que se apresentam em estado líquido à temperatura ambiente. Além de serem bons condutores de íons, esses compostos, que não são inflamáveis, oferecem alta segurança às baterias. Entretanto, a adição de íons de sódio nesses líquidos leva ao aumento da viscosidade, que reduz a mobilidade dos íons e piora o desempenho do eletrólito.

Buscando superar essa limitação, pesquisadores do CINE investigaram uma série de eletrólitos baseados em líquidos iônicos de dois tipos: o aprótico, o mais usado nas pesquisas de eletrólitos, e o prótico, que tem menor custo e é mais fácil de produzir, mas era pouco estudado. A ideia foi adicionar sal de sódio a esses compostos para melhorar a mobilidade dos íons.

“O ponto principal nesse trabalho foi avaliar o efeito do aumento da concentração de sal de sódio em um eletrólito baseado em um líquido iônico prótico e seu análogo contendo um líquido iônico aprótico”, resume Tuanan da Costa Lourenço, pós-doutorando do CINE no Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) e autor correspondente do artigo.

Para desenvolver a pesquisa, a equipe realizou simulações de dinâmica molecular, método computacional que descreve as interações de átomos e moléculas. Usando dezenas de computadores em rede e software avançado, os autores resolveram as complexas equações matemáticas envolvidas nas simulações. No processo, foram utilizados recursos computacionais da USP, do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), localizado em Petrópolis (RJ), e da Universidade de Bonn.

Os resultados mostraram que o aumento da concentração do sal de sódio muda a maneira em que os íons do líquido iônico se organizam e interagem uns com os outros. O trabalho também demonstrou que a magnitude dessa mudança depende da estrutura molecular dos íons e da característica prótica ou aprótica do líquido iônico. “Além disso, observamos que em altas concentrações de sal de sódio há uma diminuição das forças de interação entre o íon sódio e o ânion dos eletrólitos, o que pode ser benéfico para o funcionamento de uma bateria”, diz Lourenço.

Colaboração internacional

Selecionar eletrólitos promissores para as baterias do futuro é um dos objetivos do programa Design Computacional de Materiais (CMD, na sigla em inglês) do CINE, coordenado por Juarez Lopes Ferreira da Silva, que também assina o paper. Neste caso, o trabalho contou com a participação de membros do programa ligados à USP, bem como do grupo de pesquisa de Barbara Kirchner, da Universidade de Bonn, que se dedica à modelagem de sistemas grandes e complexos envolvendo líquidos e suas interfaces e é coautora do artigo.

“A colaboração não apenas tornou possível o aprofundamento da discussão e das conclusões obtidas, mas também resultou no desenvolvimento de novas ferramentas, melhoria dos modelos utilizados e novas colaborações”, diz Lourenço, que passou 15 meses no grupo de Kirchner trabalhando no estudo.

A equipe científica está atualmente dando continuidade à pesquisa por meio de um segundo trabalho que visa entender como modular as interações entre os íons dos líquidos iônicos para otimizar o desempenho da bateria.

Além do apoio da FAPESP, a pesquisa foi financiada pela Shell, pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e por agências da Europa, além de contar com suporte estratégico da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP).

O artigo Structural investigation of protic ionic liquid electrolytes with sodium salt using polarizable force fields pode ser lido em: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2025.127496.

* Com informações de Verónica Savignano, do CINE.