Cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) relataram grandes progressos na pesquisa sobre baterias de íon de cálcio (CIBs) que poderiam revolucionar a forma como a energia é armazenada e usada na vida cotidiana. Ao incorporar eletrólitos quase sólidos (QSSE), a equipe desenvolveu um novo tipo de CIB projetado para melhorar o desempenho e a sustentabilidade. A tecnologia pode suportar uma variedade de aplicações, desde sistemas de armazenamento de energia renovável até veículos elétricos. A obra é arte Ciências avançadas intitulada “Baterias de íons de cálcio quase sólidas de alta eficiência a partir de eletrólitos redox de uma estrutura orgânica”.
À medida que os países expandem a produção de energia renovável, a necessidade de armazenamento de baterias fiável e eficiente continua a crescer. As baterias de iões de lítio (LIBs) dominam atualmente o mercado, mas permanecem preocupações sobre os recursos limitados do lítio e os limites práticos da sua densidade energética. Essas limitações intensificaram a busca por produtos químicos alternativos para baterias que possam atender às necessidades energéticas globais de longo prazo.
As baterias de íons de cálcio estão atraindo a atenção porque o cálcio é abundante e oferece uma janela eletroquímica comparável à das LIBs. No entanto, as barreiras técnicas retardaram o progresso. Em particular, pode ser difícil mover os íons de cálcio com eficiência dentro de uma bateria, e manter a operação estável durante ciclos repetidos de carga e descarga tem se mostrado um desafio. Estas questões impediram o CIB de competir diretamente com sistemas baseados em lítio estabelecidos.
Eletrólitos quase sólidos melhoram o transporte de íons
Para resolver essas questões, uma equipe liderada pelo Prof. Yunseob Kim, Professor Associado de Engenharia Química e Biológica na HKUST, projetou estruturas orgânicas covalentes redox para funcionalidade QSSE. Esses materiais ricos em carbonila alcançaram fortes condutividades iônicas (0,46 mS cm-1) e Ca2+ capacidade de transporte (>0,53) à temperatura ambiente.
Através de experimentos de laboratório e simulações de computador, os pesquisadores descobriram que Ca2+ os íons se movem rapidamente ao longo dos grupos carbonila alinhados dentro dos poros estruturados da estrutura orgânica covalente. Este caminho interno organizado ajuda a explicar a mobilidade iônica aprimorada e o desempenho geral da bateria.
Alto desempenho acima de 1000 ciclos
Usando esse projeto, a equipe montou uma bateria completa de íons de cálcio que fornecia uma capacidade específica reversível de 155,9 mAh·g.-1 a 0,15 Ag-1. Mesmo a 1 A g-1a bateria reteve mais de 74,6% de sua capacidade após 1.000 ciclos de carga-descarga. Estes resultados demonstram o potencial das estruturas orgânicas covalentes redox para melhorar significativamente a tecnologia CIB.
O professor Kim disse:”Nossa pesquisa destaca o potencial transformador das baterias de íons de cálcio como uma alternativa sustentável às tecnologias de íons de lítio. Ao explorar as propriedades redox únicas das estruturas orgânicas covalentes, demos um passo significativo para a realização de soluções de armazenamento de energia de alto desempenho que podem atender às demandas de um futuro mais verde.”
A pesquisa foi conduzida como parte de uma colaboração entre a HKUST e a Shanghai Jiaotong University.
