Triagem de Eletrólitos baseados em Solventes Eutéticos Profundos via Técnicas Computacionais.

• Processo: 24/23708-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2025
• Data de Término da vigência: 31 de janeiro de 2030
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física Atômica e Molecular
• Pesquisador responsável: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Beneficiário: Luana Schneider Moreira
• 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): Ciência de dados Simulação de dinâmica molecular Solventes eutéticos profundos Teoria do funcional da densidade
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Caracterização Computacional | Ciência de dados | Dinâmica Molecular | Eletrólitos para dispositivos de armazenamento de energia | Solventes eutéticos profundos | teoria do funcional da densidade | Ciência Computacional de Materiais

Resumo

Baterias armazenam uma quantidade significativa de energia em um espaço pequeno, permitem o fornecimento de energia rapidamente quando necessário, e podem passar por vários ciclos de carga e descarga com perda mínima de capacidade. Esses dispositivos são essenciais para o armazenamento de energia renovável, já que esta depende de recursos naturais imprevisíveis e é essencial para enfrentar a crescente crise ambiental causada pelas emissões de gás carbônico. Entre as baterias existentes, as baterias de íon-lítio são extremamente populares, no entanto, o lítio é desigualmente distribuído ao redor do globo e escasso na crosta terrestre. Em contraste, o sódio possui ampla abundância, tornando as baterias de íon-sódio uma alternativa de menor custo e menos vulnerável aos riscos de fornecimento de matéria prima. O desenvolvimento de materiais adequados para ânodo, cátodo e eletrólito é essencial para a viabilização prática das baterias de íons de sódio. Entre esses componentes, o eletrólito desempenha um papel substancial ao transportar íons entre os eletrodos. Uma abordagem promissora para tornar essas baterias mais sustentáveis e econômicas reside no uso de eletrólitos baseados em solventes eutéticos profundos (DESs, do inglês Deep Eutectic Solvents), uma mistura de dois ou três componentes que formam associações por ligações de hidrogênio, reduzindo o ponto de fusão em relação às substâncias puras. Semelhantes aos líquidos iônicos (ILs, do inglês Ionic Liquids), os DESs possuem alta estabilidade térmica e baixa volatilidade; no entanto, são geralmente mais baratos, biodegradáveis, não tóxicos e mais fáceis de preparar do que os ILs.Para encontrarmos o melhor eletrólito para as baterias de íon-sódio, algumas questões devem ser analisadas e respondidas, tais como: Por que o aumento da concentração de sal no DES geralmente leva a uma maior estabilidade eletroquímica, mas a uma menor condutividade iônica e maior viscosidade? Como a temperatura afeta a janela de estabilidade eletroquímica -- pergunta essencial para determinar a viabilidade do eletrólito em diferentes condições de operação da bateria --? Como diferentes doadores e aceitadores de ligações de hidrogênio, em proporções molares diversas, e como a incorporação de aditivos ao eletrólito afetam a condutividade? Qual o impacto da água residual na estabilidade e no desempenho de eletrólitos de natureza higroscópica? Qual o eletrólito de menor inflamabilidade?Para entender esses fenômenos e encontrar as respostas, métodos computacionais, como Dinâmica Molecular utilizando campos de força e a Teoria do Funcional da Densidade, têm se mostrado ferramentas poderosas para o estudo dos DESs. A dinâmica molecular é uma técnica amplamente utilizada no estudo de eletrólitos, pois permite caracterizar propriedades estruturais, de transporte e energéticas a nível atomístico, facilitando a correlação com dados experimentais. Neste projeto de doutorado, utilizaremos a abordagem computacional publicada recentemente pelo grupo QTNano para o estudo de eletrólitos, a qual combina o campo de força OPLS com cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) periódicos. Basicamente, as cargas atomísticas utilizadas no cálculo das interações de Coulomb serão determinadas via DFT para os sistemas em fase bulk, enquanto os demais parâmetros serão obtidos diretamente do campo de força OPLS, possibilitando uma melhor descrição das propriedades estruturais e de transporte de eletrólitos.