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 menores custos e mais sustentabilidade. Uma das mais promissoras nesse sentido é a tecnologia de íons de sódio. Essas baterias têm estrutura e operação muito semelhantes às de lítio, mas se baseiam no sódio – um elemento mais abundante, melhor distribuído geograficamente e 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, os quais 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 grande tempo que demandam para atender o nível de detalhamento requerido.

Recentemente, uma equipe de membros do CINE e colaboradores desenvolveu modelos computacionais simplificados, que viabilizam o estudo preciso desses mecanismos em líquidos iônicos – materiais com potencial para uso em eletrólitos de baterias de íons de sódio.

Os modelos desenvolvidos por esses pesquisadores são do tipo ‘coarse-grained‘, o qual 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.

A partir da aplicação desses modelos coarse-grained, a equipe conseguiu descrever fenômenos muito relevantes para o desempenho das baterias, como a formação de agregados de sódio e líquido iônico, e seu impacto no transporte dos íons de sódio. Os resultados do estudo podem ser usados para desenvolver melhores baterias de íons de sódio. “Este novo entendimento permite otimizar as condições do eletrólito (como a concentração de sódio presente no líquido iônico) visando melhor performance da bateria”, diz Rafael, que iniciou o estudo durante seu doutorado no FFCLRP-USP, com orientação do professor Luis Gustavo Dias, e o finalizou no pós-doutorado, no IQ-USP. Durante o doutorado, ele fez um estágio de pesquisa em The University of Western Ontario, onde recebeu orientação do professor Mikko Karttunen, que também é coautor da pesquisa. As simulações do estudo foram realizadas usando recursos computacionais brasileiros (HPC-USP) e canadenses (ComputeCanada).

Referência do artigo científico: Development of coarse-grained force field to investigate sodium-ion transport mechanisms in cyanoborate-based ionic liquid. Rafael Maglia de Souza, Tuanan C. Lourenço, Leonardo José Amaral de Siqueira, Mikko Karttunen, Juarez L. F. Da Silva, Luis Gustavo Dias. Journal of Molecular Liquids. Volume 338, 15 September 2021, 116648. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116648

Autores do artigo que são ou foram membros do CINE: Rafael Maglia de Souza (pós-doc, FFCLRP- USP), Tuanan C.Lourenço (pós-doc, IQSC-USP), Leonardo José Amaral de Siqueira (professor da UNIFESP Diadema), Juarez L. F. Da Silva (professor do IQSC-USP), Luis Gustavo Dias (professor da FFCLRP-USP).