Um estudo computacional que acaba de ser publicado traz contribuições importantes para o desenvolvimento de novas baterias seguras e de alto desempenho. Realizado por uma equipe de pesquisadores do CINE junto a colaboradores da Universidade de Bonn (Alemanha), o trabalho investigou detalhadamente compostos que podem ser usados como eletrólitos em baterias de íons de sódio.

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, o qual reduz a mobilidade dos íons, piorando 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, que é o mais usado nas pesquisas de eletrólitos, e o prótico, que tem menor custo e é mais fácil de produzir, mas tinha sido muito pouco estudado até o momento. A ideia foi adicionar sal de sódio a esses compostos para melhorar a mobilidade dos íons.

“O ponto principal neste 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 IQSC-USP e autor correspondente do artigo que reporta este estudo.

Para desenvolver o estudo, 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, 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 Tuanan.

Colaboração internacional

Selecionar eletrólitos promissores para as baterias do futuro é um dos objetivos do Programa Design Computacional de Materiais do CINE, que é coordenado pelo professor Juarez L. F. Da Silva. Neste caso, o trabalho contou com a participação de membros do programa ligados à USP, bem como membros do grupo de pesquisa da professora Barbara Kirchner, da Universidade de Bonn, que se dedica à modelagem de sistemas grandes e complexos envolvendo líquidos e suas interfaces.

“A colaboração não apenas tornou possível o aprofundamento da discussão e conclusões obtidas, mas também resultou no desenvolvimento de novas ferramentas, melhoria dos modelos utilizados no trabalho e novos trabalhos e colaborações”, diz Tuanan, que passou 15 meses no grupo da professora Kirchner trabalhando neste estudo. Segundo ele, a experiência também foi fundamental para a sua formação e carreira de pesquisador, ao propiciar contato com novos cientistas e metodologias.

O estudo contou com financiamento da Fapesp, Shell e Capes, de agências da Europa e do suporte estratégico da ANP.

Atualmente, a equipe científica está dando continuidade a esta 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.

Referência do artigo científico: Structural investigation of protic ionic liquid electrolytes with sodium salt using polarizable force fields. Tuanan C. Lourenço, Paul Zaby, Luis G. Dias, Juarez L.F. Da Silva, Barbara Kirchner. Journal of Molecular Liquids. Volume 428, 15 June 2025, 127496. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2025.127496.

Autores do artigo que são membros do CINE:  Tuanan da Costa Lourenço (pós-doc no IQSC-USP), Luís Gustavo Dias (professor da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto – USP) e Juarez L. F. Da Silva (professor do IQSC-USP).