De métodos ab initio até o contínuo para a busca de materiais para baterias de sódio-íon

• Processo: 19/23681-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de setembro de 2020
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2025
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Beneficiário: Tuanan da Costa Lourenço
• 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
• Bolsa(s) vinculada(s): 22/05652-5 - Campos de força polarizáveis para a Investigação de materiais de bateria de sódio-íon, BE.EP.PD
• Assunto(s): Química computacional Baterias Sódio Íons Eletrodos Eletrólitos Teoria do funcional da densidade Simulação de dinâmica molecular
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: baterias | Dft | Dinâmica Molecular | eletrodo | eletrólitos | Química Computacional | Química computacional

Resumo

Nos últimos 30 anos, as baterias de lítio-íon se tornaram a tecnologia de armazenamento de energia mais utilizada no mercado, entretanto, recentes projeções têm mostrado que nas próximas décadas o Li poderá se tornar escasso devido ao aumento da demanda por baterias. Devido às similaridades com o Lítio, a grande abundância de sódio no planeta, e os custos dos materiais utilizados nos componentes, as baterias de sódio-íon têm sido consideradas promissoras candidatas para a substituição das baterias de lítio-íon. Embora Na e Li+ apresentem similaridades químicas, as baterias de sódio-íon apresentam algumas incompatibilidades com os materiais utilizados nos eletrodos comerciais das baterias de lítio-íon. Os ânodos de grafite apresentam uma intercalação desfavorável para o íon sódio devido à incompatibilidades termodinâmicas, enquanto que os cátodos de óxidos de metais de transição apresentam certas instabilidades devido à mudanças de fase causadas pelas modificações das concentrações de Na+ durante o ciclo eletroquímico. Para os eletrólitos, a principal desvantagem em relação às baterias de Li+ são as reações indesejadas na superfície dos ânodos e a formação da Interface Sólida do Eletrólito (ISE). Desta maneira, é evidente a necessidade do desenvolvimento de novos materiais específicos para as baterias de sódio-íon. O presente projeto possui como objetivo a realização de um screening computacional em multiescala utilizando desde métodos ab initio até cálculos no contínuo para materiais específicos para aplicações em ânodos e eletrólitos em baterias de sódio-íon. A escolha de uma abordagem computacional se dá pela facilidade de acessar informações à nível atomístico e realizar as correlações com dados experimentais, assim como os baixos custos envolvidos e a possibilidade de se testar uma larga gama de materiais. Com o desenvolvimento de uma metodologia em multiescala para o estudo de baterias de sódio-íon, também será possível realizar estudos envolvendo diferentes tipos de baterias, como K, Ca, e Mg. (AU)

Publicações científicas

(13)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

FREITAS, LUIS PAULO M.; ESPIRITO SANTO, ANDERSON A.; LOURENCO, TUANAN C.; DA SILVA, JUAREZ L. F.; FELICIANO, GUSTAVO TROIANO. Steric and Electrostatic Effects on the Diffusion of CH4/CH3OH in Copper-Exchanged Zeolites: Insights from Enhanced Sampling Molecular Dynamics and Free Energy Calculations. Langmuir, v. 37, n. 26, p. 8014-8023, JUL 6 2021. (19/23681-0, 17/11631-2, 18/21401-7)

FIATES, JULIANE; RATOCHINSKI, RAFAEL H.; LOURENCO, TUANAN C.; DA SILVA, JUAREZ L. F.; DIAS, LUIS G.. Fluoroalkoxyaluminate-based ionic liquids as electrolytes for sodium-ion batteries. JOURNAL OF MOLECULAR LIQUIDS, v. 369, p. 12-pg., 2023-01-01. (17/11631-2, 18/21401-7, 19/23681-0)

SOUSA, BIANCA P.; LOURENCO, TUANAN C.; ANCHIETA, CHAYENE G.; NEPEL, THAYANE C. M.; FILHO, RUBENS M.; DA SILVA, JUAREZ L. F.; DOUBEK, GUSTAVO. Direct Evidence of Reversible Changes in Electrolyte and its Interplay with LiO₂ Intermediate in Li-O₂ Batteries. SMALL, v. 20, n. 31, p. 11-pg., 2024-04-12. (17/11958-1, 19/23681-0, 18/21401-7, 17/11986-5, 22/05652-5, 17/11631-2)

FROEMBGEN, TOM; ZABY, PAUL; ALIZADEH, VAHIDEH; DA SILVA, JUAREZ L. F.; KIRCHNER, BARBARA; LOURENCO, TUANAN C.. Lessons Learned on Obtaining Reliable Dynamic Properties for Ionic Liquids. ChemPhysChem, v. N/A, p. 15-pg., 2025-02-18. (17/11631-2, 18/21401-7, 19/23681-0, 22/05652-5)

SANTOS, MYLENA N.; LOURENCO, TUANAN C.; MOCELIM, MAURICIO; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Theoretical study of the structural and energetic properties of Ce_1-xZr_xO₂ nanoparticles via molecular dynamics simulations. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 26, n. 25, p. 16-pg., 2024-05-20. (19/23681-0, 18/21401-7, 22/05652-5, 20/10532-3, 17/11631-2)

LOURENCO, TUANAN C.; DIAS, LUIS GUSTAVO; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Theoretical Investigation of the Na+ Transport Mechanism and the Performance of Ionic Liquid-Based Electrolytes in Sodium-Ion Batteries. ACS APPLIED ENERGY MATERIALS, v. 4, n. 5, p. 4444-4458, MAY 24 2021. (18/21401-7, 17/11631-2, 19/23681-0)

DE SOUZA, RAFAEL MAGLIA; LOURENCO, TUANAN C.; AMARAL DE SIQUEIRA, LEONARDO JOSE; KARTTUNEN, MIKKO; DA SILVA, JUAREZ L. F.; DIAS, LUIS GUSTAVO. Development of coarse-grained force field to investigate sodium-ion transport mechanisms in cyanoborate-based ionic liquid. JOURNAL OF MOLECULAR LIQUIDS, v. 338, SEP 15 2021. (18/21401-7, 17/26102-5, 17/11631-2, 19/23681-0, 18/13867-6, 19/18125-0)

MORAES, ALEX S.; PINHEIRO, GABRIEL A.; LOURENC, TUANAN C.; LOPES, MAURO C.; QUILES, MARCOS G.; DIAS, LUIS G.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Screening of the Role of the Chemical Structure in the Electrochemical Stability Window of Ionic Liquids: DFT Calculations Combined with Data Mining. JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, v. N/A, p. 11-pg., 2022-09-19. (17/11631-2, 18/21401-7, 19/23681-0)

LOURENCO, TUANAN C.; SIQUEIRA, LEONARDO J. A.; DIAS, LUIS G.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Identification of sodiation mechanisms in graphite-based negative electrodes by molecular dynamics simulations combined with potential of mean force. Electrochimica Acta, v. 468, p. 13-pg., 2023-11-10. (17/11631-2, 18/21401-7, 22/05652-5, 19/23681-0)

LOURENCO, TUANAN C.; BARROS, LETICIA M. S.; ANCHIETA, CHAYENE G.; NEPEL, THAYANE C. M.; JULIO, JULIA P. O.; DIAS, LUIS GUSTAVO; MACIEL FILHO, RUBENS; DOUBEK, GUSTAVO; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Tuning aprotic solvent properties with long alkyl chain ionic liquid for lithium-based electrolytes. JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A, v. 10, n. 21, p. 18-pg., 2022-04-25. (17/11958-1, 18/21401-7, 17/11631-2, 19/23681-0)

DE MENDONCA, JOAO PAULO A.; LOURENCO, TUANAN C.; FREITAS, LUIS PAULO M.; SANTO, ANDERSON A. E.; FELICIANO, GUSTAVO T.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Molecular dynamics investigation of the structural and energetic properties of CeO2-MOx (M = Gd, La, Ce, Zr) nanoparticles. MATERIALS ADVANCES, SEP 2021. (19/23681-0, 17/11631-2, 18/21401-7)

DE MENDONCA, JOAO PAULO A.; CALDERAN, FELIPE, V; LOURENCO, TUANAN C.; QUILES, MARCOS G.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Theoretical Framework Based on Molecular Dynamics and Data Mining Analyses for the Study of Potential Energy Surfaces of Finite- Size Particles. JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, v. 62, n. 22, p. 10-pg., 2022-10-27. (20/05329-4, 18/21401-7, 17/11631-2, 19/23681-0)

MOCELIM, MAURICIO; SANTOS, MYLENA N.; BITTENCOURT, ALBERT F. B.; LOURENCO, TUANAN C.; DA SILVA, JUAREZ L. F.. Theoretical investigation of (La₄O₆)_n, (La₂Ce₂O₇)_n, and (Ce₄O₈)_n nanoclusters (n=10, 18): Temperature effects and O-vacancy formation. Journal of Chemical Physics, v. 160, n. 18, p. 14-pg., 2024-05-14. (22/12778-5, 19/23681-0, 18/21401-7, 22/05652-5, 20/10532-3, 17/11631-2, 17/11937-4)