O novo design da bateria de íons de cálcio oferece alto desempenho sem lítio
Cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) relataram um grande avanço na pesquisa de baterias de íons de cálcio (CIB) que poderia remodelar a forma como a energia é armazenada e usada na vida diária. Ao incorporar eletrólitos de estado quase sólido (QSSEs), a equipe desenvolveu um novo tipo de CIB projetado para melhorar o desempenho e a sustentabilidade. A tecnologia poderá apoiar aplicações que vão desde sistemas de armazenamento de energia renovável até veículos elétricos. A obra aparece em Ciência Avançada sob o título “Baterias de íons de cálcio de estado quase sólido de alto desempenho a partir de eletrólitos de estrutura orgânica covalente redox-ativa”.
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 de lítio e os limites práticos da sua densidade energética. Essas restrições intensificaram a busca por produtos químicos alternativos para baterias que possam atender às demandas 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 movimentar eficientemente os íons de cálcio dentro de uma bateria, e manter o desempenho estável durante ciclos repetidos de carga e descarga tem se mostrado um desafio. Estas questões impediram os CIB de competir diretamente com os sistemas baseados em lítio estabelecidos.
Eletrólitos de estado quase sólido melhoram o transporte de íons
Para resolver esses problemas, uma equipe liderada pelo Prof. Yoonseob KIM, Professor Associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica da HKUST, projetou estruturas orgânicas covalentes redox para funcionar como QSSEs. Esses materiais ricos em carbonila alcançaram forte condutividade iônica (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 de grupos carbonila alinhados dentro dos poros estruturados das estruturas orgânicas covalentes. Este caminho interno organizado ajuda a explicar a mobilidade iônica aprimorada e o desempenho geral da bateria.
Forte desempenho em mais de 1.000 ciclos
Usando esse projeto, a equipe montou uma célula de 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 e descarga. Estes resultados demonstram o potencial das estruturas orgânicas covalentes redox para fortalecer significativamente a tecnologia CIB.
O professor Kim disse: “Nossa pesquisa destaca o potencial transformador das baterias de íons de cálcio como uma alternativa sustentável à tecnologia de íons de lítio. Ao aproveitar as propriedades únicas das estruturas orgânicas covalentes redox, demos um passo significativo em direção à realização de soluções de armazenamento de energia de alto desempenho que podem atender às demandas de um futuro mais verde.”
A pesquisa foi realizada através de uma colaboração entre a HKUST e a Shanghai Jiao Tong University.
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