As baterias de íon-lítio são a principal escolha nas indústrias de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia atuais, mas contêm diversos minerais críticos — incluindo lítio, cobalto, níquel e grafite — considerados essenciais por razões econômicas e de segurança nacional, e, portanto, vulneráveis ??a interrupções na cadeia de suprimentos. À medida que a energia renovável, a infraestrutura eletrificada e as tecnologias digitais de alta potência continuam a crescer, há uma necessidade cada vez maior de sistemas de armazenamento de energia que sejam de baixo custo, com abundância de recursos e capazes de carga e descarga rápidas. 

Essa necessidade, entre outros motivos, motivou um grupo de pesquisadores — sediado no MIT e liderado por Ju Li, professor titular da Cátedra Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) e Ciência e Engenharia de Materiais — a desenvolver soluções complementares de armazenamento de energia. 

A equipe está analisando, em particular, as baterias de sódio metálico, que oferecem diversas vantagens. O sódio é cerca de 1.000 vezes mais abundante que o lítio e, em termos de custo por quilo, custa cerca de um centésimo do lítio. Um desafio crucial, no entanto, é que o sódio metálico é altamente reativo, o que dificulta a obtenção de estabilidade a longo prazo e ciclos de carga e descarga rápidos nessas baterias. 

Um novo artigo na revista Joule — escrito por 15 membros da equipe do MIT e publicado online esta semana — mostra como esse dilema pode ser resolvido encontrando o eletrólito certo para esse sistema de bateria.

O eletrólito é um dos três componentes principais de uma bateria, juntamente com o eletrodo negativo (ânodo) e o eletrodo positivo (cátodo). O eletrólito age como o "sangue" da bateria, permitindo que íons eletricamente carregados se movam entre os dois eletrodos. "O eletrólito deveria apenas transmitir esses íons", explica Li. "Ele deveria ser um condutor iônico." Mas, infelizmente, a maioria dos eletrólitos se envolve em reações químicas indesejadas com os eletrodos, o que pode comprometer seriamente a estabilidade da bateria.

As consequências dessas “reações secundárias” podem ser graves, afirma Weiyin Chen, pós-doutorando em Ciência e Engenharia de Materiais (NSE) e um dos quatro autores principais do artigo publicado na revista Joule  . Compostos insolúveis produzidos durante as reações podem se acumular nos eletrodos, criando uma barreira que bloqueia o transporte de íons e pode, eventualmente, causar a falha da bateria. 

Até recentemente, diz Chen, nenhum eletrólito usado em baterias de sódio-metal era totalmente estável contra essas reações indesejadas tanto no ânodo quanto no cátodo, embora tal estabilidade seja essencial para que as baterias recarregáveis ??alcancem uma longa vida útil. Um avanço inicial ocorreu em 2021, quando o grupo de Li e seus colaboradores identificaram uma molécula de “sulfonamida” — composta por átomos de enxofre, oxigênio e nitrogênio — que, quando usada como solvente, “é magicamente estável em ambos os eletrodos das baterias de lítio”, de acordo com Li. Essa molécula é conhecida como DMTMSA. 

Partindo dessa descoberta, Li e seus colegas se propuseram a investigar se moléculas relacionadas poderiam aprimorar as baterias de sódio. O objetivo não era apenas manter a estabilidade, mas também possibilitar o carregamento e a descarga rápidos. Se o carregamento for muito lento, a bateria pode levar a noite toda para recarregar, e se a descarga for muito lenta, ela não conseguirá fornecer energia suficiente quando necessário.

Chen explica a ideia com uma analogia: imagine que você precisa atravessar uma rua lotada de pedestres, assim como íons viajando de um eletrodo para outro. "Você consegue se mover mais rapidamente pela multidão com uma mochila pequena e justa ao corpo, em vez de arrastar uma mala volumosa com rodinhas", diz Chen. 

Uma situação semelhante ocorre em baterias: quando os íons de sódio estão rodeados por solventes menores, eles podem se mover mais rapidamente do que quando estão rodeados por solventes maiores e mais volumosos. O transporte iônico mais rápido permite um carregamento e descarregamento mais rápidos. O objetivo da equipe, portanto, era identificar moléculas de solvente que fossem pequenas o suficiente para melhorar o transporte iônico, mantendo a estabilidade do eletrólito.

Existe, no entanto, um fator complicador — uma compensação a ser considerada: o transporte iônico mais rápido geralmente ocorre à custa da estabilidade do eletrólito. Muitos eletrólitos altamente condutores reagem mais facilmente com os eletrodos, reduzindo a vida útil da bateria. Felizmente para o projeto, diz Li, “reduzir o tamanho dos solventes oferece um novo caminho para superar essa compensação”. 

A questão então passa a ser como encontrar um solvente menor que possua outras propriedades desejáveis. A ideia adotada foi buscar moléculas “congenéricas”, explica Li, “ou seja, que pertençam a uma família semelhante e sejam molecularmente similares”. Em particular, eles procuraram moléculas relacionadas ao DMTMSA, na esperança de encontrar candidatos menores, mas que pudessem manter a estabilidade que tornava o DMTMSA tão promissor.

Chia-Wei Hsu, um estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais do MIT, criou um algoritmo guiado por IA que projetou 100.000 moléculas candidatas em seu computador em 24 horas. Hsu então reduziu o número de candidatos para 200 aplicando um conjunto de critérios técnicos — incluindo semelhança de forma com o DMTMSA e propriedades eletrônicas comparáveis. Vinte e sete candidatos representativos, abrangendo toda a gama de possibilidades, foram selecionados para testes experimentais. 

“Testamos todos sob as mesmas condições para garantir uma competição justa e direta”, diz Chen. Um vencedor claro surgiu: um solvente chamado DMFSA, que era ao mesmo tempo o menor e o melhor.

Este trabalho, afirma Jinhyuk Lee, professor associado de engenharia de materiais da Universidade McGill, que não participa do estudo, “aborda um dos desafios mais persistentes na pesquisa de baterias: melhorar o desempenho das baterias em altas taxas de carga e descarga sem sacrificar a estabilidade a longo prazo. Ao ajustar cuidadosamente o tamanho das moléculas do solvente, os autores demonstram uma nova estratégia de design que pode viabilizar baterias de menor custo e maior desempenho.” 

O grupo não terminou. Uma nova busca está em andamento para encontrar um solvente ainda melhor. Desta vez, a abordagem é semelhante, mas o DMFSA (em vez da molécula maior de DMTMSA) serve como ponto de partida. Chen acredita que os novos solventes que estão descobrindo podem eventualmente levar a baterias recarregáveis ??de sódio-metal que combinam materiais abundantes e de baixo custo com carregamento rápido e alto desempenho de potência, abrindo caminho para aplicações mais amplas de armazenamento de energia.

O objetivo primordial deste trabalho, enfatizam os autores, não é apenas o avanço das baterias de sódio. É também o de introduzir uma nova abordagem para o projeto de eletrólitos que utiliza o tamanho do solvente e a similaridade molecular como principais diretrizes. Sob essa perspectiva, as baterias de sódio metálico servem como um sistema modelo para demonstrar um princípio de projeto mais geral.

“Como o conceito é amplamente aplicável”, comenta Lee, “seu impacto pode ir muito além das baterias de sódio e influenciar o projeto de uma ampla gama de futuras tecnologias de armazenamento de energia.”

Este trabalho foi financiado, em parte, por uma bolsa da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, com recursos do governo coreano, bem como por uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da Fundação Nacional de Ciência dos EUA. Os equipamentos de caracterização utilizados neste projeto provêm, em parte, das instalações de caracterização do MIT.nano.