Estudo identifica como reduzir falhas em baterias de sódio

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 melhorar 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 o desempenho das baterias.

As baterias de íons de sódio destinam-se a diversas aplicações, com destaque para o armazenamento de energia em larga escala, a integração de fontes renováveis às redes elétricas e a eletrônica portátil.

Apesar de seu potencial, possuem densidade de energia menor que as baterias de lítio.

Na prática, isso significa que precisam de mais volume e peso para armazenar a mesma quantidade de energia.

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

Cientistas do programa de Design Computacional de Materiais do CINE estudam um aspecto crítico dessas interações: a formação de uma camada muito fina 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, protege o ânodo de reagir continuamente com o eletrólito e permite, ao mesmo tempo, a passagem de íons de sódio durante os ciclos de carga e descarga da bateria.

Por outro lado, quando a SEI tem baixa qualidade, ela racha e cresce de forma irregular, favorecendo a formação de estruturas de sódio em forma de agulha — os dendritos —, que constituem uma das principais causas de falhas e riscos à segurança das baterias.

A equipe do CINE se propôs a compreender os processos de formação da SEI em escala atômica.

Esse objetivo só poderia ser alcançado com o uso de ferramentas computacionais, já que um estudo experimental seria inviável por causa da natureza ultrafina, quimicamente heterogênea e dinâmica 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” , detalhou Juarez L.