Baterías de iones de calcio:la próxima frontera en almacenamiento de energía

Andrés Corselli

Prof. Yoonseob KIM (derecha), profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y Biológica y autor correspondiente, y su Ph.D. El estudiante YIN Zhuoyu (izquierda), primer autor, sostiene un molde de celda electroquímica. Están fotografiados junto a un ciclador de celdas de batería. (Imagen:HKUST)

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han logrado un gran avance en la tecnología de baterías de iones de calcio (CIB), que podría transformar las soluciones de almacenamiento de energía en la vida cotidiana. Al utilizar electrolitos de estado cuasi sólido (QSSE), estos innovadores CIB prometen mejorar la eficiencia y la sostenibilidad del almacenamiento de energía, lo que tendrá un impacto en una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas de energía renovable hasta vehículos eléctricos. Los hallazgos se publican en la revista internacional Advanced Science. titulado “Baterías de iones de calcio de estado cuasi sólido de alto rendimiento a partir de electrolitos de estructura orgánica covalente activa redox”.

La urgencia de soluciones sostenibles de almacenamiento de energía es cada vez más crítica en todo el mundo. A medida que el mundo acelera su cambio hacia la energía verde, la demanda de sistemas de baterías eficientes y estables nunca ha sido tan apremiante. Las principales baterías de iones de litio (LIB) actuales enfrentan desafíos debido a la escasez de recursos y la densidad de energía casi limitada, lo que hace que la exploración de alternativas como las CIB sea esencial para un futuro sostenible.

Los CIB son muy prometedores debido a su ventana electroquímica comparable a la de los LIB y su abundancia en la Tierra. Sin embargo, tienen dificultades, particularmente para lograr un transporte eficiente de cationes y mantener un rendimiento cíclico estable. Estos obstáculos limitan actualmente la competitividad de los CIB frente a los LIB disponibles comercialmente.

Para superar estos desafíos, el equipo de investigación dirigido por el Prof. Yoonseob KIM, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de HKUST, ha desarrollado estructuras orgánicas covalentes redox para que sirvan como QSSE. Estos QSSE ricos en carbonilo demostraron una notable conductividad iónica (0,46 mS cm-1) y capacidad de transporte de Ca2+ (>0,53) a temperatura ambiente. Combinando estudios experimentales y de simulación, el equipo reveló que el Ca2+ se transporta rápidamente a lo largo de los grupos carbonilo alineados dentro de los poros ordenados de COF.

Este enfoque innovador condujo a la creación de una celda completa de iones de calcio que exhibió una capacidad específica reversible de 155,9 mAh g-1 a 0,15 A g-1 y mantuvo más del 74,6 por ciento de retención de capacidad a 1 A g-1 después de 1000 ciclos, lo que muestra el potencial de los COF redox para avanzar en la tecnología CIB.

Esquemas que muestran los procesos sintéticos de fabricación de electrolitos de estado cuasi sólido basados en estructuras orgánicas covalentes y el funcionamiento de celda completa realizados en este trabajo. (Imagen:HKUST)

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Kim.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó mientras desarrollaba este avance tecnológico CIB?

Kim :El mayor desafío fue el movimiento inherentemente lento de los iones de calcio. En comparación con los iones de litio, los iones de calcio tienen un tamaño mayor y una carga más fuerte, lo que hace que su difusión sea mucho más lenta, especialmente en electrolitos de estado casi sólido, donde la conductividad puede ser diez veces menor que la del litio. Superar esta importante caída de la conductividad fue fundamental para que las baterías de iones de calcio fueran viables.

Para abordar esto, exploramos el uso de materiales porosos altamente cristalinos para construir vías de transporte de iones alineadas verticalmente. Al diseñar estas estructuras, nuestro objetivo era crear canales continuos que facilitaran el movimiento de iones. Además, introdujimos sitios activos estratégicamente ubicados a lo largo de estas vías para promover y mantener un transporte eficiente de iones de calcio. Este enfoque no solo fue innovador sino también excepcionalmente desafiante de implementar, ya que requería un control preciso sobre la arquitectura del material y la química de la superficie a nanoescala.

Resúmenes técnicos :¿Puedes explicar en términos sencillos cómo funciona, por favor?

Kim :Imagine una batería tradicional como dos contenedores conectados por un puente. Los iones (portadores cargados) necesitan cruzar ese puente para generar electricidad. En las baterías de calcio, el desafío es que los iones de calcio son más grandes y "más pegajosos" que los iones de litio que se utilizan en la mayoría de las baterías actuales. Tienden a ralentizarse o atascarse en el camino, especialmente en nuestro electrolito cuasi sólido, que es más un sólido que un líquido.

Entonces, construimos un sistema de autopistas especial dentro de nuestra batería. Utilizando materiales porosos, creamos carriles claros que guían los iones de calcio en la dirección correcta. También agregamos "estaciones de servicio" a lo largo del camino:puntos que dan un pequeño impulso a los iones para mantenerlos en movimiento. Este diseño ayuda a que los grandes iones de calcio viajen de manera eficiente, por lo que la batería puede almacenar y entregar energía de manera efectiva utilizando abundante calcio en lugar del escaso litio.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún plan establecido para futuras investigaciones/trabajos/etc.? Si no, ¿cuáles son tus próximos pasos?

Kim :Sí, tenemos claros los próximos pasos. En primer lugar, planeamos optimizar aún más los canales de transporte de iones para lograr una conductividad de iones de calcio aún mayor. Nuestro objetivo es permitir la conducción de iones de calcio únicos a través de materiales de estructuras orgánicas covalentes (COF), lo que significa que cada canal transporta iones de manera más eficiente, como un carril rápido exclusivo.

En segundo lugar, trabajaremos para optimizar los materiales y estructuras de los cátodos y ánodos. En última instancia, nuestro objetivo es desarrollar una batería de iones de calcio totalmente de estado sólido, que mejoraría aún más la densidad de energía y la seguridad. Esto nos acerca a una batería práctica y de alto rendimiento que utiliza abundante calcio.

Resúmenes técnicos :¿Hay algo más que le gustaría agregar que no mencioné?

Kim :Voy a hablar sobre la dirección prometedora de las baterías recargables, una dirección importante que nos entusiasma:en este momento, estamos enfocados en construir baterías con materiales activos de ánodo, pero nuestro objetivo final es desarrollar baterías sin ánodo.

Imagine una batería en la que no es necesario transportar el material del ánodo:se forma solo durante la carga. Esto aumentaría significativamente la densidad de energía porque se utiliza cada partícula de material de manera eficiente. Es como meter más equipaje en la misma maleta.

El diseño sin ánodos se considera la próxima generación de baterías recargables y creemos que la química del calcio ofrece una oportunidad única para llegar allí. Es ambicioso, pero estamos trabajando en eso.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún consejo para los investigadores que quieran hacer realidad sus ideas?

Kim :Aquí hay algunas sugerencias:

En primer lugar, no evite los problemas difíciles:abrácelos. Si un desafío es difícil, significa que la solución será valiosa. Los iones de calcio son inherentemente más lentos que el litio, pero superar ese desafío fundamental es lo que hace que este avance sea significativo.

En segundo lugar, pensar estructuralmente, no sólo químicamente. A veces la respuesta no es material nuevo sino cómo lo organizas. Nuestro diseño de canal poroso surgió de preguntarnos no sólo "qué" sino también "cómo":¿cómo se mueven realmente los iones a través del espacio?

Y finalmente, sea paciente pero persistente. Los avances rara vez ocurren de la noche a la mañana. Provienen de pequeños logros incrementales, como mejorar la conductividad en un pequeño porcentaje, luego un poco más, hasta que de repente cruzas un umbral.

Los problemas que vale la pena resolver son aquellos que no se rinden fácilmente.