O átomo de lítio é um dos átomos mais leves da tabela periódica. Suas propriedades o tornam propício para a geração de energia em combinação com outros elementos. Essa mistura de peso leve e grande potencial energético é a chave para seu papel de protagonista na maior parte da química de baterias do século 21.
Agora considere os veículos elétricos de hoje, alimentados por células de lítio-íon que foram melhoradas, incrementalmente, por décadas. Porém, as baterias de lítio-íon em qualquer veículo elétrico ainda são a parte mais pesada do carro. Todo esse peso extra limita o potencial de desempenho do veículo. Por outro lado, a promessa das baterias de lítio-oxigênio não é nada incremental. É um salto na quantidade de energia que uma bateria pode produzir em relação ao seu peso. Em teoria, o lítio-oxigênio pode ser usado para uma bateria mais leve que pode ir muito mais longe com uma única carga.
Aumento da densidade energética
As baterias de lítio-íon atuais têm 3 vezes a densidade de energia específica das células de chumbo-ácido anteriores
Densidade de energia multiplicada
Baterias de lítio-oxigênio mais leves têm potencialmente de 5 a 15 vezes a densidade de energia específica das células de lítio-íon atuais
Para a indústria química, transformar essa teoria em um produto comercializável poderia criar um centro de lucro próspero por décadas — com aplicativos para tudo, desde dispositivos móveis até carros e novas formas inimagináveis de transporte. Essa é uma das razões pelas quais Jamie Garcia, gerente sênior de algoritmos quânticos, aplicações e teoria na IBM, e sua equipe de químicos quânticos têm passado muito tempo em videoconferências com colegas de pesquisa na Mitsubishi Chemical no Japão.
A equipe da IBM Quantum foi procurada por Qi Gao, da Mitsubishi Chemical, e pelo professor Naoki Yamamoto, da Universidade de Keio, para modelar e estudar o complexo mecanismo de rearranjo do superóxido de lítio, uma etapa química fundamental nas baterias de lítio-oxigênio. Sua colaboração estabelece as bases para a simulação e, por fim, para a investigação de um problema relacionado a uma aplicação do mundo real em um computador quântico.
Essa é uma tarefa impossível de ser realizada com eficiência, mesmo nos supercomputadores mais potentes da atualidade. Para a equipe de P&D da Mitsubishi Chemical, modelar uma reação eletroquímica tão complexa em um computador clássico se revelou incrivelmente difícil. Ao colaborar com a IBM e IBM Q Hub nas equipes da Universidade de Keio, a Mitsubishi Chemical está explorando como usar computadores quânticos para criar simulações precisas do que está acontecendo dentro de uma reação química em um nível molecular.
A maioria dos químicos que fizeram trabalhos de bancada tradicionais entendem que horas, meses e até anos podem ser dedicados a tentar entender como a química está ocorrendo dentro do frasco e ser capaz de controlá-la. A computação quântica promete acelerar tudo isso.
A Mitsubishi Chemical vê o valor nessa promessa. Líder mundial em sintetização de materiais inovadores, ela atende dezenas de setores — automotivos, aeroespaciais, médicos, de produção de energia, infraestrutura de transporte, construção civil — tudo pela necessidade de ferramentas muito melhores para resolver desafios urgentes.
Atender às diversas necessidades de muitos setores significa que a Mitsubishi Chemical, por definição, faz extensos trabalhos de pesquisa e desenvolvimento. Como muitos outros membros da IBM Quantum Network, ela tem orçamentos dedicados à simulação molecular e está investindo de maneiras pelas quais a computação quântica pode ajudar. No nível empresarial, isso pode levar a colaborações transcontinentais — neste caso, entre as equipes de pesquisa multidisciplinares da Mitsubishi Chemical, da Keio University em Tóquio e da IBM.
“Se você olhar para os maiores problemas não resolvidos do mundo, são desafios que existem há décadas”, diz Jamie Garcia, gerente sênior de algoritmos quânticos, aplicativos e teoria da IBM. “Isso porque estamos martelando com as mesmas ferramentas, mas estamos chegando a um platô com o que realmente podemos realizar. A promessa da computação quântica traz novidades. No final das contas, é isso que vai transformar as indústrias, revolucionar as indústrias. Uma nova ferramenta”.
O triunvirato de pesquisa da Mitsubishi Chemical, da Universidade de Keio e da IBM Quantum está trabalhando para entender melhor o potencial do lítio-oxigênio como uma fonte de energia usando novos algoritmos que aproveitam a computação quântica.
A execução de uma nova geração de algoritmos, dentro do novo ambiente de hardware e software da Quantum, já produziu resultados computacionais quantitativamente corretos de reações químicas complicadas no processo de descarga da bateria de lítio-oxigênio. Além disso, olhando para os fundamentos moleculares através de uma nova lente, pesquisadores também estão tentando minar novos insights e observar fenômenos que não são geralmente aceitos como conhecidos ou esperados.
“Ao explorar partes específicas dessas reações com computadores quânticos, com detalhes e profundidade tão próximos, você obtém esses pequenos momentos de iluminação”, diz Jamie Garcia, da IBM. “Portanto, há muitas razões pelas quais o uso desses sistemas quânticos para química faz muito sentido. Sempre há algo novo a ser descoberto e uma próxima pergunta a ser respondida”.
A missão da Mitsubishi Chemical(link externo a ibm.com) é criar soluções inovadoras globalmente com base em nossos valores fundamentais de sustentabilidade, saúde e conforto, buscando o bem-estar das pessoas, da sociedade e do planeta Terra.
Sobre a IBM Quantum Network
A IBM Quantum Network é uma comunidade de empresas da Fortune 500, instituições acadêmicas, startups e laboratórios nacionais de pesquisa que trabalham com a IBM para promover a computação quântica.
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Produzido nos Estados Unidos da América, março de 2020.
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