Un grupo de investigadores japoneses ha desarrollado un prototipo de batería recargable de metal de calcio (Ca) capaz de 500 ciclos de carga y descarga repetidas. Es una de las muchas alternativas a las baterías de iones de litio para los vehículos eléctricos.
En un estudio que aparece en Advanced Science, sus autores hacen hincapié en que ofrecen características ventajosas como alta densidad de energía, rentabilidad y abundancia natural.
Es bien sabido que el calcio se considera un elemento químico que pertenece a los metales alcalinotérreos. Es un elemento metálico plateado, con alta dureza. Su símbolo químico es Ca y su peso atómico es de 40.08.
Desde hace unos años, 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) se ha incrementado considerablemente.
Uno de esos reemplazos son las baterías de metal Ca. Como quiera que es el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre, el calcio está ampliamente disponible, 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.
Sin embargo, quedan muchos obstáculos que salvar antes de comercializar las baterías de metal Ca. La falta de un electrolito eficiente y la ausencia de materiales catódicos con suficiente capacidad de almacenamiento de Ca2+ son los principales obstáculos.
Batería de calcio
En 2021, algunos miembros de este equipo de científicos japoneses ofrecieron 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.
Ahora, el profesor Kazuaki Kisu, de la Universidad de Tohoku y autor principal de este trabajo, recuerda que probaron 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.
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, el profesor Kisu y su equipo 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.
Estos investigadores confían en que su investigación ayudará a avanzar en el análisis 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 estas baterías”, confía el profesor Kisu.
