Uma pesquisa computacional realizada por membros do CINE permitiu avançar o entendimento de um processo que ocorre espontaneamente dentro de baterias de íons de sódio e tem grande impacto no seu desempenho. Os resultados do estudo fornecem orientações concretas para controlar esse fenômeno e, dessa forma, melhorar a performance da bateria.

As baterias de íons de sódio são promissoras candidatas a concorrer com as de íons de lítio, que hoje dominam o mercado. De fato, o sódio é um elemento muito mais abundante e mais bem distribuído no planeta Terra do que o lítio, mas a tecnologia de sódio ainda apresenta uma densidade de energia menor que a de lítio. Em outras palavras, as baterias de sódio precisam ter mais volume e peso para armazenar a mesma quantidade de energia que as de lítio.

Para superar esse desafio tecnológico, é fundamental compreender, na escala atômica, os mecanismos que regem as interações entre o ânodo (o eletrodo onde os íons de sódio ficam armazenados durante a descarga da bateria) e o eletrólito (a substância que permite o transporte dos íons de sódio entre os eletrodos).

Nesse contexto, cientistas do programa de Design Computacional de Materiais do CINE estão estudando um aspecto crítico dessas interações: a formação de uma finíssima camada na superfície do ânodo. Chamada de “interface de eletrólito sólido” (SEI, na sigla em inglês), essa camada se forma a partir da decomposição de componentes do eletrólito.

Quando a SEI é de boa qualidade, ela protege o ânodo de reagir continuamente com o eletrólito, permitindo, ao mesmo tempo, a passagem de íons de sódio para que a bateria possa carregar e descarregar. Por outro lado, quando a SEI tem baixa qualidade, ela racha e cresce de forma irregular, desencadeando o crescimento de estruturas de sódio em forma de agulha, chamadas de dendritos, que constituem uma das principais causas de falhas e de riscos à segurança na bateria.

Assim sendo, a equipe do CINE se propôs a entender os processos de formação da SEI na escala atômica. Esse objetivo só poderia ser atingido usando ferramentas computacionais, já que um estudo experimental seria inviável devido à natureza ultrafina, quimicamente heterogênea e dinamicamente variável da SEI.

“Em nosso projeto, selecionamos alguns eletrólitos e um tipo de ânodo — o de sódio metálico — e simulamos como moléculas individuais dos eletrólitos interagem com esse ânodo”, detalha o professor Juarez L. F. Da Silva (IQSC-USP), coordenador do programa Design Computacional do CINE, que liderou a pesquisa.

Inicialmente, os autores utilizaram simulações computacionais baseadas na física quântica para construir um modelo de uma superfície de sódio metálico com defeitos. “As superfícies reais desses ânodos nunca são perfeitamente lisas; elas apresentam pequenos aglomerados de átomos em relevo e minúsculas cavidades onde faltam átomos”, explica Tapasendra Adhikary, primeiro autor do artigo que reporta este trabalho e pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP).

Usando esse modelo, a equipe simulou interações com 22 espécies químicas que podem ser encontradas em eletrólitos de baterias. De acordo com Tapasendra, a ideia foi compreender quais moléculas do eletrólito se fixam em quais locais do ânodo e por quê, para, dessa forma, projetar eletrólitos que controlem a formação da camada SEI.

Dessa maneira, a equipe científica conseguiu investigar como os componentes do eletrólito interagem, na escala atômica, com um ânodo de sódio defeituoso e como essas interações moldam os estágios iniciais da formação da SEI.

“A descoberta fundamental é que essas irregularidades na superfície do sódio funcionam como pontos críticos de atividade química”, diz Tapasendra. Em outras palavras, explica o pós-doutorando, o local onde uma molécula se fixa depende fortemente da geometria da superfície.

A partir dos resultados obtidos, os autores formularam orientações concretas para o design de eletrólitos que promovam a formação de camadas SEI de boa qualidade. “Primeiro, deve-se dar preferência a sais que liberam fluoreto, uma vez que o fluoreto se liga com especial força aos sítios de defeito reativos e forma fluoreto de sódio — uma camada inorgânica resistente e muito eficaz em vedar esses pontos vulneráveis ​​e bloquear o crescimento de dendritos”, sugere Tapasendra.

A segunda orientação consiste em combinar esses sais liberadores de fluoreto com solventes de carbonato cíclico para criar condições favoráveis ​​à formação de uma camada protetora rica em fluoreto e carbonato, exatamente nos pontos mais vulneráveis ​​do ânodo.

Além disso, os autores frisam a importância de projetar e testar as formulações de eletrólitos levando em conta superfícies de eletrodos reais e imperfeitas, em vez de superfícies planas idealizadas, pois é a rugosidade da superfície que realmente determina onde e como a camada protetora se forma.

Esta pesquisa foi financiada pela FAPESP e pela Shell, com apoio estratégico da ANP.

Referência do artigo: First-principles study of chemical species adsorption and solid electrolyte interphase formation on defective sodium metal anodes. Tapasendra Adhikary, Iván Ornelas–Cruz, Tuanan C. Lourenço, Sara Barati, Luís G. Dias, Juarez L.F. Da Silva. Applied Surface Science, Volume 745, 2026, 167352. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.167352.

Membros do CINE autores do artigo: Tapasendra Adhikary (pós-doutorando no IQSC-USP), Iván Ornelas-Cruz (pós-doutorando no IQSC-USP), Tuanan da Costa Lourenço (pós-doutorando no IQSC-USP no momento da pesquisa), Sara Barati (pós-doutoranda no Instituto de Química da 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).