Foto: El equipo creó hilos de baterías de calcio y oxígeno que tejieron hasta formar una tela. Luego demostraron que era posible cargar un teléfono usando este textil de batería flexible.Fuente: Lei Ye et al.© 2024
El diseño de un cátodo inteligente abre las puertas a la primera batería de calcio recargable
Por Victoria Atkinson
El calcio es el metal divalente más abundante en la Tierra y, en teoría, estas baterías podrían ofrecer una alternativa más barata y con mayor densidad energética a las baterías de iones de litio. Sin embargo, el mayor radio atómico y la mayor carga del calcio crean numerosos problemas que aún deben superarse para crear una batería viable.
Un equipo de China ha desarrollado la primera batería recargable de calcio y oxígeno funcional. El dispositivo prototipo se cargó y descargó más de 700 veces a temperatura ambiente y el equipo cree que el rendimiento superior de la batería deriva de un eficiente proceso redox de dos electrones, facilitado por una combinación específica de materiales de electrodos y electrolitos. En una demostración de prueba de concepto, los investigadores incorporaron la batería de calcio y oxígeno en fibras tejidas flexibles, creando un tejido capaz de cargar un teléfono móvil.
“Las baterías de calcio están limitadas por la baja eficiencia coulómbica (eficiencia de transferencia de carga) del ánodo de calcio metálico y por el conjunto muy limitado de posibles materiales activos del cátodo”, explica Alexandre Ponrouch , investigador de baterías en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, España. “Las baterías a base de calcio suelen sufrir un muy deficiente transporte de masa dentro de estructuras estructurales de cátodos inorgánicos (utilizados en baterías de iones de litio) y los cátodos orgánicos son actualmente los candidatos a cátodos de mejor rendimiento, aunque a menudo adolecen de una reversibilidad deficiente”.
La reversibilidad se traduce directamente en recargabilidad y es una de las cuestiones clave abordadas por Huisheng Peng y su equipo colaborativo en el nuevo diseño de batería. Normalmente, las baterías de calcio-oxígeno forman un producto de descarga de óxido de calcio en el cátodo en un proceso redox de cuatro electrones. Este óxido extremadamente estable se descompone lentamente a temperaturas de funcionamiento normales, atrapando los iones de calcio y limitando drásticamente la capacidad de recarga de la batería. Pero, al utilizar una combinación cuidadosamente seleccionada de un electrolito a base de líquido iónico y láminas de nanotubos de carbono alineadas como cátodo de aire, el equipo de Peng favoreció la formación de peróxido de calcio más reactivo mediante una reacción de dos electrones. Cuando la batería se recarga, este producto más lábil se descompone fácilmente, liberando iones de calcio y permitiendo que la batería funcione durante más de 700 ciclos.
Diagrama: Esquema de la batería recargable de calcio-oxígeno, con una lámina de nanotubos de carbono alineada como cátodo y calcio metálico como ánodo. En el lado del cátodo, el oxígeno se reduce y se combina con iones de calcio para formar óxido de calcio durante la descarga, y la reacción inversa ocurre durante la carga. En el lado del ánodo, el calcio metálico se elimina durante la descarga y se vuelve a colocar durante la recarga.Fuente: Lei Ye et al.©2024
Para comprender el mecanismo de reducción que se produce en el cátodo, el equipo realizó extensos cálculos de densidad de carga diferencial que indicaron que la lámina de nanotubos favorece la transferencia de electrones con peróxido de calcio sobre óxido de calcio, impulsando el proceso de dos electrones. El análisis del material del cátodo también reveló la formación de una interfase conductora de electrolito sólido de fluoruro de calcio (derivada del electrolito que contiene fluoruro) que promueve aún más el transporte eficiente de los iones de calcio a través de la batería.
Con este sistema de trabajo en mano, el equipo de Peng se centró en adaptar la batería a los dispositivos electrónicos portátiles. Recubrieron una fibra de nanotubo central con calcio, la rodearon con un electrolito de gel a base de líquido iónico y encerraron la unidad de batería completa dentro de una funda catódica de nanotubos de carbono para crear una batería flexible similar a un filamento. Estas fibras de batería se tejieron en telas transpirables y los textiles terminados podrían luego alimentar un teléfono móvil.
Estas baterías aún se encuentran en una etapa de prueba de concepto y están muy lejos de su comercialización, pero el equipo espera que este trabajo abra nuevas posibilidades para un mejor diseño de cátodos. Para Ponrouch, este es un comienzo alentador, pero se mantiene cauteloso, sugiriendo que podrían pasar años o incluso décadas hasta que esta tecnología esté lista para su uso generalizado.
“Existe una histéresis de voltaje (una diferencia de potencial entre carga y descarga) de aproximadamente 2V, lo que implica una eficiencia energética muy baja de la tecnología actual (es decir, se necesita gastar mucha más energía para cargar la batería en comparación con la cantidad de energía que puede entregar). Éste es el primer aspecto que habrá que abordar”, afirma. “Sin embargo, estos son valores comunes para el desarrollo inicial de baterías basadas en cátodos de oxígeno. Ya se lograron mejoras significativas en la reducción de esta histéresis de voltaje para las celdas de litio y será interesante ver con qué rapidez y en qué medida las baterías de calcio y oxígeno pueden alcanzar al litio beneficiándose de los conocimientos actuales sobre estas químicas de batería desafiantes.”
Referencia
L Ye et al., Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-023-06949-x
