Armazenamento de energia em forma de baterias recarregáveis tem sido um dos principais avanços da sustentabilidade nos últimos anos devido ao aumento do consumo de aparelhos eletrônicos e ao advento do carro elétrico, com a utilização de energia limpa. Desde 1991, através da Sony, os aparelhos eletrônicos, como drones, smartphones e notebook utilizam, em sua maioria, baterias de íons de Lítio. Por oferecerem inúmeras vantagens, como boa eficiência energética, boa densidade, grande vida útil, ausência de efeito memória, a tecnologia é hoje utilizada em usinas para armazenamento estacionário de energia. No entanto, as grandes desvantagens das baterias de íons de Lítio são a instabilidade e possuir materiais caros e de difícil extração. Dessa forma, a otimização desses materiais e a utilização de novos são fundamentais para o desenvolvimento de baterias com maior estabilidade e segurança para aplicações em alta escala.

As baterias de íons lítio possuem eletrodos que contêm um material aditivo, como grafite, ou uma mistura de óxidos metálicos combinados com polímeros, enquanto o eletrólito é uma mistura complexa de compostos orgânicos e organometálicos. Durante a carga e a descarga da bateria, diversas reações ocorrem alterando composição química no eletrólito e levando a formação de uma interface de eletrólito sólido (SEI), que, apesar de contribuir para a proteção do anodo, leva a falha da bateria. Assim, aditivos são incorporados no eletrólito para controlar a formação da SEI, porém eles também inibem o fluxo de íons no eletrólito, alterando a condutividade da bateria: um grande desafio de otimização para os pesquisadores.

Dessa forma, a simulação molecular surge como um grande aliado para o desenvolvimento de baterias de íons Lítio através da modelos discretos para a escolha de novos candidatos, otimizando o experimento e predizendo propriedades importantes. Através dos métodos de Dinâmica Molecular implementados no BIOVIA Materials Studio, a maior plataforma de simulação molecular, é possível modelar a difusão e íons de lítio para diversas formulações e prever importantes propriedades como condutividade e transmissão em função da formulação. Veja no vídeo abaixo como a solução se aplica para o desenvolvimento de baterias:

Outros grandes desafios são a expansão e a compressão do eletrodo induzidas pelos átomos de Lítio durante a carga e descarga da bateria. Quando ocorre uma grande expansão, o eletrodo pode sofrer uma fratura mecânica. Na Figura 1, BIOVIA Materials Studio foi utilizado para visualizar o efeito de intercalação de íons de lítio no eletrodo através de seus métodos baseados na estrutura eletrônica dos materiais. Além disso, os resultados calculados pelo poderoso software funcionam como parâmetros de entrada

Figura 1 – Através da simulação no BIOVIA Materials Studio, é possível visualizar a expansão da estrutura cristalina em função da concentração de íons de Lítio.

Há outras abordagens preditivas que o software BIOVIA Materials Studio possui para o estudo de baterias. Com seus diversos métodos implementados (quânticos, dinâmica molecular, QSAR), pesquisas para novos materiais de baterias são otimizadas através da escolha preditiva de candidatos para experimentos em bancada, além de promover maior compreensão desses resultados.

Referências:
PEDROSO, Ana Luiza. Por que a indústria ainda usa baterias de íons de lítio como padrão? Veja possíveis alternativas. Mundo Conectado, 2020. Acesso em: 03 de setembro de 2020.
ROCCO, Peter Fornari;  de Silva. ‘Molecular modelling of organic redox-active battery materials’ WIREs Computational Molecular Science, 2020. DOI: 10.1002/wcms.1495
TODD, Stephen. Improving Batteries by Modeling the Materials Space. BIOVIA Blog, 2020. Acesso em: 03 de setembro de 2020.

Autora: Bianca da Silva Domingues Especialista em Simulação Numérica e Molecular na EDC Tecnologia bianca.domingues@edctecnologia.com.br