Estudo Ab initio dás propriedades estruturais, eletrônicas e energéticas dós compostos formados em ânodos de baterias de sódio

• Processo: 20/03471-8
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2020
• Data de Término da vigência: 30 de abril de 2021
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Beneficiário: Giovanna Fardini Lima
• Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Empresa: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Química de São Carlos (IQSC)
• Vinculado ao auxílio: 17/11631-2 - CINE: desenvolvimento computacional de materiais utilizando simulações atomísticas, meso-escala, multi-física e inteligência artificial para aplicações energéticas, AP.PCPE
• Assunto(s): Química quântica Eletroquímica Integração energética Baterias Propriedades estruturais Métodos ab initio Teoria do funcional da densidade
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: baterias de sódio-íon | Eletroquímica | Química Quântica | Teoria do Funcional de Densidade | Química Quântica

Resumo

Baterias portáteis ou estacionárias tornaram-se essenciais no cotidiano, e o desenvolvimento de novas tecnologias de armazenamento com menor custo e maior eficiência se faz relevante em muitas aplicações tecnológicas. Atualmente, as baterias mais utilizadas em dispositivos eletrônicos portáteis são fabricadas com lítio-íon, entretanto, lítio é um metal escasso na natureza, e.g., em menos de um século a demanda mundial não poderá ser totalmente atendida. Uma das alternativas mais promissoras são baterias de sódio-íon, pois o sódio é um metal mais abundante que o lítio e possuem algumas similaridades, o que faz com que os mecanismos de funcionamento de baterias de sódio-íon e de lítio-íon sejam análogos. Um dos principais desafios no desenvolvimento de baterias de sódio-íon é em relação ao material do ânodo, pois os ânodos de grafite usados em baterias de lítio-íon não são possuem performance satisfatória com Na+. Os principais fenômenos que acontecem no ânodo são: intercalação, conversão e formação de ligas, o que irá variar conforme o material. Os materiais mais populares de intercalação são aqueles a base de carbono ou óxidos de titânio, porém sua principal desvantagem é que possuem uma capacidade inicial baixa além de sofrerem com a decomposição do eletrólito e a formação de uma camada insolúvel na superfície do ânodo. Isso afeta sua estrutura e, por conseguinte, sua ciclabilidade. Materiais de conversão (sulfetos, óxidos e fosfetos) ou de formação deliga (elementos dos grupos 14 e 15 da tabela periódica) possuem uma capacidade inicial bastante alta, contudo seu principal obstáculo é em relação à alta variação de volume, o que compromete a morfologia do ânodo e a vida útil da bateria. Esta variação do volume está relacionada com a formação dos produtos de sódio no ânodo, o que faz com o estudo de suas propriedades seja fundamental para obter um material de excelência. Dessa maneira, o objetivo deste projeto é realizar um estudo teórico das propriedades estruturais, energéticas, e eletrônicas dos diferentes cristais de sódio que podem ser formados nos ânodos durante o ciclo eletroquímico com o objetivo de fornecer um entendimento atomístico e auxiliar na seleção de novos materiais. Todos os cálculos serão realizados com base na teoria do funcional de densidade implementada no código Vienna Ab initio Simulation Package (VASP), o qual é largamente utilizado no grupo QTNano.