Eletrólitos líquidos são componentes essenciais em uma variedade de tecnologias de energia emergentes, incluindo baterias, supercapacitores e dispositivos solares para combustível.

“Para prever e otimizar o desempenho desses dispositivos, uma compreensão detalhada dos eletrólitos, particularmente suas propriedades eletrônicas, como o potencial de ionização e afinidade eletrônica, é crítico, "disse Anh Pham, um Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Lawrence Fellow no Quantum Simulations Group, e o principal autor de um artigo na edição de 23 de junho da Science Advances.

Como um exemplo, Pham apontou como o alinhamento adequado de energia na interface eletrodo-eletrólito das células fotoeletroquímicas (PEC) é a chave para alcançar a produção eficiente de hidrogênio.

Pham, junto com o pesquisador LLNL Eric Schwegler, Robert Seidel e Steven Bradforth, da University of Southern California, e Marco Govoni e Giulia Galli do Laboratório Nacional Argonne e da Universidade de Chicago, apresentaram uma estratégia de simulação validada experimentalmente para calcular as propriedades eletrônicas de eletrólitos aquosos.

A equipe simulou e mediu diretamente a excitação eletrônica de vários íons solvatados em água líquida. Combinando simulações de dinâmica molecular de primeiros princípios com métodos de estrutura eletrônica de última geração, a equipe poderia prever as energias de excitação dos solventes e solutos, como os potenciais de ionização dos íons solvatados. A equipe também demonstrou que o acoplamento desta estrutura teórica com técnicas avançadas de espectroscopia fornece uma ferramenta poderosa para a identificação de espécies químicas e reações que ocorrem em soluções.

O novo método abre a possibilidade de prever a resposta eletrônica em eletrólitos complexos para uma variedade de aplicações. Por exemplo, a pesquisa forneceu uma base teórica para a compreensão e engenharia das propriedades eletrônicas de eletrólitos líquidos em células PEC para produção de hidrogênio e líquido iônico para baterias.

"O framework computacional proposto é geral e aplicável a líquidos não metálicos, oferecendo grande promessa na compreensão e soluções de engenharia e eletrólitos líquidos para uma variedade de tecnologias de energia importantes, "Pham disse.

Em um sentido mais amplo, a nova capacidade de simulação representa o primeiro passo em direção a um método unificado para a simulação de realistas, interfaces heterogêneas em sistemas eletroquímicos.