Un grupo de investigación ha desarrollado un prototipo de batería recargable de metal de calcio (Ca) capaz de 500 ciclos de carga y descarga repetidas, el punto de referencia para el uso práctico.
El avance se informó en la revista. ciencia avanzada el 19 de mayo de 2023.
Con el aumento del uso de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a escala de red, la necesidad de explorar alternativas a las baterías de iones de litio (LIB) nunca ha sido mayor. Uno de esos reemplazos son las baterías de metal Ca. Como el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre, el calcio está ampliamente disponible y es económico, y tiene un potencial de densidad de energía más alto que los LIB. También se cree que sus propiedades ayudan a acelerar el transporte y la difusión de iones en electrolitos y materiales catódicos, lo que le da una ventaja sobre otras alternativas LIB como el magnesio y el zinc.
Pero quedan muchos obstáculos en el camino de la viabilidad comercial de las baterías de metal Ca. La falta de un electrolito eficiente y la ausencia de materiales catódicos con suficiente Ca2+ las capacidades de almacenamiento han demostrado ser los principales obstáculos.
En 2021, algunos miembros del grupo de investigación actual proporcionaron una solución al problema anterior cuando se dieron cuenta de un nuevo electrolito de calcio (Ca) libre de flúor basado en un grupo de hidrógeno (monocarborano). El electrolito demostró rendimientos electroquímicos notablemente mejorados, como alta conductividad y alta estabilidad electroquímica.
«Para nuestra investigación actual, probamos el funcionamiento a largo plazo de una batería de metal Ca con un cátodo compuesto de carbono/nanopartículas de sulfuro de cobre (CuS) y un electrolito a base de hidruro», dice Kazuaki Kisu, profesor asistente en el Instituto de Materiales de la Universidad de Tohoku. Investigación (IMR).
También un mineral natural, CuS tiene propiedades electroquímicas favorables. Su estructura en capas le permite almacenar una variedad de cationes, incluidos litio, sodio y magnesio. Tiene una gran capacidad teórica de 560 mAh g-1, dos o tres veces mayor que los materiales de cátodo actuales para baterías de iones de litio.
A través de nanopartículas y composición con materiales de carbono, Kisu y sus colegas pudieron crear un cátodo capaz de almacenar grandes cantidades de iones de calcio. Cuando se emplean con electrolitos de tipo hidruro, producen una batería con un rendimiento cíclico muy estable. La batería prototipo mantuvo una capacidad de retención del 92 % durante 500 ciclos en función de la capacidad del décimo ciclo.
El grupo confía en que su avance ayudará a avanzar en la investigación de materiales de cátodo para baterías basadas en Ca. «Nuestro estudio confirma la viabilidad de los ánodos de metal Ca para operaciones a largo plazo y esperamos que los resultados aceleren el desarrollo de baterías de metal Ca», dice Kisu.
