Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han informado de un importante avance en la investigación de baterías de iones de calcio (CIB) que podría remodelar la forma en que se almacena y utiliza la energía en la vida cotidiana. Al incorporar electrolitos de estado cuasi sólido (QSSE), el equipo desarrolló un nuevo tipo de CIB diseñado para mejorar tanto el rendimiento como la durabilidad. La tecnología podría admitir aplicaciones que van desde sistemas de almacenamiento de energía renovable hasta vehículos eléctricos. La obra se muestra ciencia avanzada bajo el título “Baterías de iones de calcio de estado cuasi sólido de alto rendimiento a partir de electrolitos de estructura orgánica covalente activa redox”.
A medida que los países amplían la producción de energía renovable, continúa creciendo la necesidad de un almacenamiento de baterías confiable y eficiente. Las baterías de iones de litio (LIB) dominan actualmente el mercado, pero persisten las preocupaciones sobre los recursos limitados de litio y los límites prácticos de su densidad energética. Estas limitaciones han intensificado la búsqueda de químicas de baterías alternativas que puedan satisfacer las necesidades energéticas globales a largo plazo.
Las baterías de iones de calcio están atrayendo la atención porque el calcio es abundante y ofrece una ventana electroquímica comparable a la de las LIB. Sin embargo, las barreras tecnológicas han frenado el progreso. En particular, puede resultar difícil mover eficientemente los iones de calcio dentro de una batería, y mantener un rendimiento estable durante ciclos repetidos de carga y descarga ha demostrado ser un desafío. Estos problemas han impedido que los CIB compitan directamente con los sistemas establecidos basados en litio.
Los electrolitos casi sólidos mejoran el transporte de iones
Para abordar estos problemas, un equipo dirigido por el profesor Eunseob Kim, profesor asociado de Ingeniería Química y Biológica en HKUST, diseñó estructuras orgánicas covalentes redox para que actuaran como QSSE. Estos materiales ricos en carbonilo lograron fuertes conductividades iónicas (0,46 mS cm-1) y Ca2+ capacidad de transporte (>0,53) a temperatura ambiente.
A través de experimentos de laboratorio y simulaciones por computadora, los investigadores descubrieron que Ca2+ Los iones con grupos carbonilo alineados se mueven rápidamente dentro de los poros estructurales de estructuras orgánicas covalentes. Esta vía interna organizada ayuda a explicar la mejora de la movilidad de los iones y el rendimiento general de la batería.
Fuerte rendimiento a 1.000 ciclos
Utilizando este diseño, el equipo montó una celda de batería de iones de calcio completa que proporciona una capacidad específica reversible de 155,9 mAh g.-1 Gramo a 0,15-1. Incluso a 1 g-1La batería conservó más del 74,6% de su capacidad después de 1.000 ciclos de carga y descarga. Estos resultados demuestran el potencial de las estructuras orgánicas covalentes redox para mejorar significativamente la tecnología CIB.
El profesor Kim dijo: “Nuestra investigación destaca el potencial transformador de las baterías de iones de calcio como una alternativa sostenible a la tecnología de iones de litio. Al explotar las propiedades únicas de las estructuras orgánicas covalentes redox, hemos dado un paso importante hacia soluciones de almacenamiento de energía de alto rendimiento que pueden satisfacer las demandas de un futuro más verde”.
La investigación se llevó a cabo mediante una colaboración entre HKUST y la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
