Estudo Ab initio das Propriedades Estruturais, Eletrônicas e Energéticas dos 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 desenvolvimentode 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 variarconforme o material. Os materiais mais populares de intercalação são aqueles a base decarbono 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 deuma 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 inicialbastante alta, contudo seu principal obstáculo é em relação à alta variação de volume, oque compromete a morfologia do ânodo e a vida útil da bateria. Esta variação do volumeestá relacionada com a formação dos produtos de sódio no ânodo, o que faz com o estudode suas propriedades seja fundamental para obter uma material de excelência. Dessamaneira, o objetivo deste projeto é realizar um estudo teórico das propriedades estruturais,energéticas, e eletrônicas dos diferentes cristais de sódio que podem ser formados nosânodos durante o ciclo eletroquímico com o objetivo de fornecer um entendimento atomísticoe 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.