MIT superou um trade-off de baterias encolhendo a molécula do eletrólito, não a redesenhando

As baterias de sódio-metal são atrativas porque o sódio é cerca de 1.000 vezes mais abundante que o lítio e custa cerca de um centésimo por libra, mas o sódio metálico é altamente reativo, o que torna difícil obter estabilidade de longo prazo e carga/descarga rápida na mesma bateria. O eletrólito — o componente que transporta íons carregados entre os eletrodos — costuma ser o gargalo: a maioria dos eletrólitos reage com os eletrodos de maneiras que acumulam compostos insolúveis, bloqueiam o transporte de íons e, por fim, matam a bateria.

Em 2021, o mesmo grupo do MIT havia identificado o DMTMSA, um solvente sulfonamida que se mantinha estável em ambos os eletrodos em baterias de lítio — descrito pelo líder do grupo, Ju Li, como "magicamente estável". A questão em aberto para as baterias de sódio era se uma molécula relacionada poderia manter essa estabilidade e, ao mesmo tempo, ser pequena o suficiente para mover os íons de sódio rapidamente, já que moléculas de solvente mais volumosas retardam o transporte de íons da mesma forma que uma mala grande atrasa alguém se movendo por uma multidão.

Em vez de buscar amplamente, a equipe restringiu a busca a moléculas "congêneres" — estrutural e eletronicamente semelhantes ao DMTMSA — raciocinando que o pertencimento à mesma família teria maior probabilidade de preservar a estabilidade. O estudante de doutorado Chia-Wei Hsu construiu um algoritmo guiado por IA que gerou 100.000 moléculas candidatas em 24 horas, reduziu-as a 200 por critérios de forma e propriedades eletrônicas e, em seguida, selecionou 27 candidatas representativas abrangendo essa faixa para testes de laboratório em condições equivalentes.

O DMFSA, a menor das 27, venceu nos dois eixos: estabilidade e transporte rápido de íons. O grupo agora está repetindo o mesmo processo de busca congênere partindo do próprio DMFSA, na esperança de encontrar um solvente ainda melhor, e apresenta o método subjacente — usar o tamanho molecular e a similaridade de família como variáveis de busca — como um princípio geral de design de eletrólitos aplicável além das baterias de sódio.

Buscar apenas moléculas estruturalmente semelhantes a um solvente comprovadamente estável e, então, escolher a menor delas

Restringir as candidatas a moléculas estruturalmente relacionadas a um solvente comprovadamente estável significou que a equipe não estava apostando estabilidade contra velocidade do zero — a similaridade atuou como um prior de estabilidade.

Gerar 100.000 candidatas computacionalmente e filtrar para 27 significou que a etapa cara, sintetizar e testar eletrólitos frente a frente, só precisou acontecer em uma lista curta.

Testar todas as 27 finalistas em condições idênticas tornou a comparação uma leitura justa e direta de qual ponto do trade-off venceu, em vez de resultados confundidos por diferentes configurações.

Um pesquisador independente (Jinhyuk Lee, da Universidade McGill) chamou a abordagem de tamanho e similaridade de generalizável para outras químicas de armazenamento de energia, não apenas para este sistema.

Quando duas propriedades entram em trade-off, busque moléculas relacionadas a um exemplo comprovadamente bom, não o espaço inteiro — manter a família fixa enquanto se otimiza o tamanho transforma uma busca aberta em uma lista curta testável.

As descobertas foram publicadas na revista Joule por 15 membros da equipe do MIT. O grupo avançou para uma segunda rodada de busca congênere usando o DMFSA como novo ponto de referência em vez do DMTMSA, visando encontrar um solvente que melhore ainda mais tanto a estabilidade quanto a velocidade de carga. O trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa da National Research Foundation of Korea e por uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da U.S. National Science Foundation, com equipamentos de caracterização fornecidos pelo MIT.nano.