Com uma economia cada vez menos baseada em combustíveis fósseis e mais apoiada na eletricidade, aumenta o protagonismo de baterias, supercapacitores e outros dispositivos de armazenamento e entrega de energia. E cresce, também, a necessidade de melhorar esses dispositivos eletroquímicos em termos de desempenho e custo, bem como adaptá-los às necessidades das diferentes aplicações – de carros elétricos a aparelhos eletrônicos.

Uma das tecnologias promissoras nesse sentido é a das baterias de lítio-oxigênio, assim chamadas porque seu funcionamento se baseia na oxidação de lítio no ânodo e na redução de oxigênio no cátodo. Capazes de fornecer uma densidade de energia dez vezes maior do que as tradicionais de íons de lítio, essas baterias são particularmente interessantes para o armazenamento, em larga escala, de energia ligada à geração solar ou eólica.

Uma pesquisa conduzida por pesquisadores da Divisão de Armazenamento Avançado de Energia do CINE, em colaboração com cientistas da Universidade de Notre Dame (Estados Unidos), abordou um dos principais desafios no sentido de melhorar o desempenho de baterias de lítio-oxigênio: a seleção acertada dos sais e solventes que compõem o eletrólito. Em contato com os eletrodos positivo e negativo (o ânodo e o cátodo, respectivamente), o eletrólito é o meio responsável por desencadear as reações de oxidação e redução e por transportar os íons positivos durante os processos de carga e descarga da bateria.

A equipe do CINE se concentrou no estudo de duas soluções que podem ser usadas como eletrólitos, compostas pelo solvente DMSO e por dois sais de lítio diferentes. O objetivo era compreender em detalhe algumas propriedades muito relevantes no desempenho da bateria.

A pesquisa foi realizada usando métodos computacionais (simulações de dinâmica molecular). “Nessas simulações utilizamos padrões já definidos pela literatura, mas também criamos códigos de pós-processamento para calcularmos certas propriedades como as estruturas de solvatação e condutividade iônica de forma mais precisa”, diz o professor Gustavo Doubek (UNICAMP), que coordenou o trabalho.

Enquanto a condutividade iônica tem a ver com a capacidade do eletrólito de conduzir os íons de lítio dentro da bateria, a solvatação se refere às reações químicas que ocorrem entre o solvente e o soluto. “A solvatação nos informa como os íons de lítio ficam “protegidos” quimicamente pelas moléculas do solvente”, explica Doubek, e acrescenta que essa condição influi nas reações que ocorrem na superfície dos íons de lítio ao entrar em contato com o oxigênio no cátodo. “Tais informações são muito difíceis de se obter experimentalmente, logo a simulação auxilia muito nessa determinação”, completa.

As simulações foram realizadas no contexto do doutorado de Juliane Fiates, com orientação de Doubek. O trabalho iniciou na Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP, e finalizou na Universidade de Notre Dame, durante um estágio de pesquisa realizado pela doutoranda.

A pesquisa foi reportada em artigo publicado no periódico Physical Chemistry Chemical Physics, da Royal Society of Chemistry, e foi destacado em uma das capas da edição.

Referência: Impact of anion shape on Li+ solvation and on transport properties for lithium-air batteries: a molecular dynamics study. Juliane Fiatesa, Yong Zhang, Luís F. M. Franco, Edward J. Maginn and Gustavo Doubek. Phys. Chem. Chem. Phys., 2020,22, 15842-15852. https://doi.org/10.1039/D0CP00853B.