Como posibles alternativas a las baterías de ion de litio, las baterías recargables de metal de calcio (Ca) ofrecen características ventajosas como alta densidad de energía, rentabilidad y abundancia natural de elementos. Sus propiedades también se cree que ayudan a acelerar el transporte de iones y la difusión en electrolitos y materiales de cátodo, dándole una ventaja sobre otras alternativas de baterías de ion de litio como el magnesio y el zinc.
Sin embargo, existen muchos desafíos que dificultan el desarrollo de baterías prácticas de metal de Ca. Estos desafíos incluyen la falta de un electrolito eficiente y la ausencia de materiales de cátodo con suficiente capacidad de almacenamiento de Ca2+.
Ahora, investigadores de la Universidad de Tohoku han desarrollado un prototipo de batería recargable de metal de calcio capaz de realizar 500 ciclos de carga y descarga repetidos, que es el punto de referencia para su uso práctico.
En su investigación anterior, el equipo encontró una solución a los desafíos mencionados anteriormente al desarrollar un nuevo electrolito de calcio (Ca) libre de fluoruro basado en un grupo de hidrógeno (monocarborano). El electrolito mostró un rendimiento electroquímico notablemente mejorado, como alta conductividad y alta estabilidad electroquímica.
En nuestra investigación actual, probamos el funcionamiento a largo plazo de una batería de metal de Ca con un cátodo compuesto de nanopartículas de sulfuro de cobre (CuS) y carbono, y un electrolito a base de hidruro.
Kazuaki Kisu, profesor asistente del Instituto de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku (IMR).
El sulfuro de cobre tiene propiedades electroquímicas favorables. Su estructura en capas le permite almacenar una variedad de cationes, incluidos el litio, el sodio y el magnesio. Además, tiene una capacidad teórica grande de 560 mAh g−1, dos o tres veces más alta que los materiales de cátodo actuales para las baterías de ion de litio.
Los investigadores lograron crear un cátodo capaz de almacenar grandes cantidades de iones de calcio mediante nanoparticulación y composición con materiales de carbono. Cuando se combina con el electrolito a base de hidruro, se obtiene una batería con un rendimiento de ciclo altamente estable. La batería prototipo mantuvo un 92% de retención de capacidad con un ciclo de vida prolongado de más de 500 ciclos, según la capacidad del décimo ciclo.
Basándose en los resultados, los investigadores confían en que su avance ayudará a impulsar la investigación en materiales de cátodo para baterías basadas en Ca.
Nuestro estudio confirma la viabilidad de los ánodos de metal de Ca para operaciones a largo plazo, y tenemos la esperanza de que los resultados aceleren el desarrollo de baterías de metal de Ca.
Kazuaki Kisu
Vía www.tohoku.ac.jp
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