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Tipo do documento: Tese
Título: Investigação de Eletrólitos para Armazenamento de Energia: Uma Abordagem Multiescala Utilizando a Teoria do Funcional da Densidade, Dinâmica Molecular e o Método dos Elementos Finitos
Autor: Moraes, Alex Silva de 
Primeiro orientador: Lopes, Mauro Chierici
Primeiro coorientador: Silva, Juarez Lopes Ferreira da
Resumo: Simulações computacionais desempenham um papel importante no avanço de novas tecnologias para dispositivos de armazenamento de energia (DAEs), como baterias e super-capacitores, uma vez que com elas conseguimos, por exemplo, prever propriedades dos materiais, facilitando o trabalho experimental, ou até entender características que não são acessíveis por meio de experimentos, como a estrutura molecular detalhada de um sistema. Diferentes métodos podem ser aplicados dependendo do tipo de estudo que se busca. Neste trabalho, três técnicas são utilizadas para estudar problemas relacionados a DAEs, com o objetivo de explorar diferentes aspectos dos sistemas eletroquímicos e entender como cada tipo de simulação pode ser utilizada no estudo desses sistemas. No primeiro trabalho, a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foi utilizada para investigar as características estruturais de líquidos iônicos que podem maximizar a janela de estabilidade eletroquímica de eletrólitos. Demonstramos que sistemas com altas janelas eletroquímicas podem ser obtidos com a combinação de cátions alifáticos ligados a grupos funcionais doadores de elétrons e ânions ligados a grupos funcionais receptores de elétrons. No segundo trabalho, a Dinâmica Molecular (MD) foi usada para avaliar a influência dos parâmetros (i) tamanho da caixa de simulação, (ii) número de simulações independentes, e (iii) fator de escala de carga nos resultados da simulção. Observamos que o tamanho da caixa e o número de simulações independentes não afetam significativamente propriedades estruturais; por outro lado, propriedades de transporte possuem uma forte dependência desses fatores. Além disso, foi verificado que fator de escala possui uma influência significativa em todos os parâmetros. Finalmente, no terceiro trabalho, o Método dos Elementos Finitos (FEM) foi utilizado para explorar a validade da equação de Poisson–Nernst–Planck para a descrição da dupla camada elétrica, formada na interface eletrodo/eletrólito. Demonstramos que a aproximação linear da equação de Poisson–Nernst–Planck (PNP) é adequada para baixos potenciais aplicados (≈ 25 mV), porém, para potenciais mais altos, a solução não linear da equação de PNP é necessária. Com este trabalho, pode-se verificar que para cada tipo de problema a ser estudado, um método computacional específico pode ser o mais adequado. Ademais, os métodos podem ser combinados para um entendimento mais aprofundado do sistema; essa combinação é chamada de simulação multiescala.
Abstract: Computational simulations play an important role in advancing new technologies for energy storage systems (ESSs), such as batteries and supercapacitors, as they allow us, for example, to predict material properties, facilitating experimental work, or even to understand characteristics that are not accessible through experiments, such as the detailed molecular structure of a system. Different methods can be applied depending on the type of study being pursued. In this work, three techniques are used to study problems related to ESSs, to explore different aspects of electrochemical systems, and to understand how each type of simulation can be used in the study of these systems. In the first work, Density Functional Theory (DFT) was used to investigate the structural characteristics of ionic liquids that can maximize the electrochemical stability window of electrolytes. We demonstrated that systems with high electrochemical windows can be obtained with the combination of aliphatic cations attached to electron-donating functional groups and anions attached to electron-withdrawing functional groups. In the second work, Molecular Dynamics (MD) was used to evaluate the influence of parameters (i) simulation box size, (ii) number of independent simulations, and (iii) charge scaling factor on simulation results. We observed that the box size and the number of independent simulations do not significantly affect structural properties; however, transport properties exhibit a strong dependence on these factors. Additionally, it was found that the scaling factor has a significant influence on all parameters. Finally, in the third work, the Finite Element Method (FEM) was used to explore the validity of the Poisson–Nernst–Planck equation for describing the electric double layer formed at the electrode/electrolyte interface. We demonstrated that the linear approximation of the Poisson-Nernst-Planck (PNP) equation is adequate for low applied potentials (≈ 25 mV); however, for higher potentials, the nonlinear solution of the PNP equation is necessary. With this work, it can be seen that for each type of problem to be studied, a specific computational method may be most suitable. Moreover, methods can be combined for a deeper understanding of the system; this combination of different methods is called multiscale simulation.
Palavras-chave: Teoria do Funcional da Densidade
Dinâmica Molecular
Método dos Elementos Finitos
Dispositivos de Armazenamento de Energia
Eletrólito
Janela Elequímica
Density Functional Theory
Molecular Dynamics
Finite Element Method
Energy Storage Systems
Electrolyte
Electrochemical Window
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Estadual do Centro-Oeste
Sigla da instituição: UNICENTRO
Departamento: Unicentro::Departamento de Ciências Exatas e de Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química (Doutorado)
Citação: Moraes, Alex Silva de. Investigação de Eletrólitos para Armazenamento de Energia: Uma Abordagem Multiescala Utilizando a Teoria do Funcional da Densidade, Dinâmica Molecular e o Método dos Elementos Finitos. 2024. 163 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Química - Doutorado) - Universidade Estadual do Centro-Oeste, Guarapuava.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://tede.unicentro.br:8080/jspui/handle/jspui/2179
Data de defesa: 21-Fev-2024
Aparece nas coleções:Programa de Pós-Graduação em Química (Doutorado)

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