Investigadores de la Universidad de Tohoku desarrollaron recientemente un prototipo de batería recargable de calcio-metal capaz de 500 ciclos de carga repetidos. Quinientos ciclos son el punto de referencia para el uso práctico de las baterías. El resultado se logró gracias al desarrollo de un cátodo compuesto de nanopartículas de sulfuro de cobre y carbono y un electrolito a base de hidruro.
Con las ventas compulsivas de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a escala de red en aumento, la necesidad de explorar alternativas a las baterías de iones de litio nunca ha sido tan grande.
El descubrimiento acaba de ser publicado en la revista Advanced Science.
El progreso se enfoca en el elemento fútbol y ahora se está probando un prototipo. El calcio (Ca) es el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre, está ampliamente disponible y es económico, y tiene un potencial de densidad de energía más alto que las baterías de iones de litio (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.
Desafortunadamente, quedan muchos obstáculos en el camino de la viabilidad comercial de las baterías de Ca metálico. La falta de un electrolito eficiente y la ausencia de materiales catódicos con suficiente capacidad de almacenamiento de Ca2+ demostraron ser los principales obstáculos.
Esquema de un prototipo de batería de calcio metal.
En 2021, algunos miembros del grupo de investigación actual dieron una solución al primer problema, creando un nuevo electrolito de calcio libre de flúor basado en un clúster de hidrógeno (monocarborano). El electrolito ha demostrado un rendimiento electroquímico notablemente mejorado,
Para la investigación actual, se probó el funcionamiento a largo plazo de una batería de Ca metálico con un cátodo compuesto de sulfuro de cobre (CuS) y nanopartículas de carbono y un electrolito a base de hidruro. El sulfuro de cobre, abundante en la naturaleza, 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 compuestos con materiales de carbono, Kisu y sus colegas pudieron crear un cátodo capaz de almacenar grandes cantidades de iones de calcio. Mediante el uso de electrolitos de tipo hidruro, han producido una batería con una eficiencia cíclica altamente estable. La batería prototipo mantuvo una capacidad de retención del 92 % durante 500 ciclos, con base en la capacidad del décimo ciclo.
El grupo confía en que su descubrimiento ayudará a avanzar en la investigación de materiales de cátodo para baterías basadas en Ca. "Nuestro estudio confirma la viabilidad de los ánodos de Ca metálicos para una operación a largo plazo y esperamos que los resultados aceleren el desarrollo de baterías de Ca metálico". dijo Kisu.
Los materiales utilizados permitirán el desarrollo de baterías potentes, pero a costos extremadamente bajos. Esta sería la verdadera revolución eléctrica que aún estamos esperando.
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