Estudo aponta como controlar falhas que prejudicam o desempenho das baterias de sódio

Agência FAPESP * – Baterias de íons de sódio despontam como uma alternativa viável às populares baterias de lítio, graças à maior abundância e distribuição de sua matéria-prima. No entanto, para melhorarem seu desempenho, é preciso resolver um gargalo técnico: a formação de dendritos, estruturas que reduzem a vida útil e causam falhas de segurança no componente. Um estudo computacional realizado pelo Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) mapeou esse processo em escala atômica, oferecendo orientações concretas para controlar o fenômeno e, dessa forma, melhorar a performance da bateria.

As baterias de íons de sódio destinam-se a uma grande diversidade de aplicações, destacando-se o armazenamento de energia em larga escala, a integração de fontes renováveis em redes elétricas e até a eletrônica portátil. Apesar do seu enorme potencial, possuem uma densidade de energia menor que as baterias de lítio. Na prática, isso significa que precisam ter mais volume e peso para armazenar a mesma quantidade de energia.

Para superar esse desafio tecnológico, é fundamental compreender, na escala atômica, os mecanismos que regem as interações entre o ânodo – o eletrodo onde os íons de sódio ficam armazenados durante a descarga da bateria – e o eletrólito – a substância que permite o transporte dos íons de sódio entre os eletrodos.

Nesse contexto, cientistas do programa de Design Computacional de Materiais do CINE estão estudando um aspecto crítico dessas interações: a formação de uma finíssima camada na superfície do ânodo. Chamada de “interface de eletrólito sólido” (SEI, na sigla em inglês), essa camada se forma a partir da decomposição de componentes do eletrólito.

Quando a SEI é de boa qualidade, ela protege o ânodo de reagir continuamente com o eletrólito, permitindo, ao mesmo tempo, a passagem de íons de sódio para que a bateria possa carregar e descarregar. Por outro lado, quando a SEI tem baixa qualidade, ela racha e cresce de forma irregular, desencadeando o crescimento de estruturas de sódio em forma de agulha – os tais dendritos –, que constituem uma das principais causas de falhas e de riscos à segurança na bateria.

A equipe do CINE se propôs a entender os processos de formação da SEI na escala atômica. Esse objetivo só poderia ser atingido usando ferramentas computacionais, já que um estudo experimental seria inviável por causa da natureza ultrafina, quimicamente heterogênea e dinamicamente variável da SEI.

“Em nosso projeto, selecionamos alguns eletrólitos e um tipo de ânodo – o de sódio metálico – e simulamos como moléculas individuais dos eletrólitos interagem com esse ânodo”, detalha Juarez Lopes, professor do Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo (IQSC-USP) e coordenador do programa Design Computacional do CINE, que liderou a pesquisa.

Inicialmente, os autores utilizaram simulações computacionais baseadas na física quântica para construir um modelo de uma superfície de sódio metálico com defeitos. “As superfícies reais desses ânodos nunca são perfeitamente lisas. Elas apresentam pequenos aglomerados de átomos em relevo e minúsculas cavidades onde faltam átomos”, explica Tapasendra Adhikary, primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado no IQSC-USP.

Usando esse modelo, a equipe simulou interações com 22 espécies químicas que podem ser encontradas em eletrólitos de baterias. De acordo com Tapasendra, o objetivo foi compreender quais moléculas do eletrólito se fixam em quais locais do ânodo e por quê, para, dessa forma, poder projetar eletrólitos que controlem a formação da camada SEI.

Tapasendra Adhikary, pós-doutorando do IQSC-USP e pesquisador do Centro de Inovação em Novas Energias, um CPA financiado pela FAPESP (foto: CINE/divulgação)

Receita de bons eletrólitos

Dessa maneira, a equipe conseguiu investigar como os componentes do eletrólito interagem, na escala atômica, com um ânodo de sódio defeituoso e como essas interações moldam os estágios iniciais da formação da SEI.

“A descoberta fundamental é que essas irregularidades na superfície do sódio funcionam como pontos críticos de atividade química”, diz Tapasendra. Em outras palavras, o local onde uma molécula se fixa depende fortemente da geometria da superfície.

A partir dos resultados obtidos, os autores formularam orientações concretas para o design de eletrólitos que promovam a formação de camadas SEI de boa qualidade. “Primeiro, deve-se dar preferência a sais que liberam fluoreto, uma vez que o fluoreto se liga com especial força aos sítios de defeito reativos e forma fluoreto de sódio – uma camada inorgânica resistente e muito eficaz em vedar esses pontos vulneráveis e bloquear o crescimento de dendritos”, sugere Tapasendra.

A segunda orientação consiste em combinar esses sais liberadores de fluoreto com solventes de carbonato cíclico para criar condições favoráveis à formação de uma camada protetora rica em fluoreto e carbonato, exatamente nos pontos mais vulneráveis do ânodo.

Além disso, os autores frisam a importância de projetar e testar as formulações de eletrólitos levando em conta superfícies de eletrodos reais e imperfeitas, em vez de superfícies planas idealizadas, pois é a rugosidade da superfície que realmente determina onde e como a camada protetora se forma.

O CINE é um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018 e sediado na USP e nas universidades Estadual de Campinas (Unicamp) e Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras. A pesquisa também foi apoiada pela Fundação por meio de outros dois projetos (18/21401-7 e 19/23681-0).

O artigo First-principles study of chemical species adsorption and solid electrolyte interphase formation on defective sodium metal anodes pode ser lido em: sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433226015564.

* Com informações de Verónica Savignano, do CINE.