Cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) relataram um avanço significativo na pesquisa de baterias de íon de cálcio (CIB) que pode transformar a forma como a energia é armazenada e utilizada no dia a dia. Ao incorporar eletrólitos quasi-sólidos (QSSEs), a equipe desenvolveu um novo tipo de CIB projetado para melhorar tanto o desempenho quanto a sustentabilidade. A tecnologia pode apoiar aplicações que vão desde sistemas de armazenamento de energia renovável até veículos elétricos. O trabalho foi publicado na Advanced Science com o título “Baterias de Íon de Cálcio Quasi-Sólidas de Alto Desempenho a partir de Eletrólitos de Estruturas Orgânicas Covalentes Ativas por Redox.”
À medida que os países expandem a produção de energia renovável, a necessidade de armazenamento de bateria confiável e eficiente continua a crescer. Baterias de íon de lítio (LIBs) dominam atualmente o mercado, mas preocupações permanecem sobre recursos limitados de lítio e os limites práticos de sua densidade de energia. Essas limitações intensificaram a busca por químicas de bateria alternativas que possam atender à demanda global de energia a longo prazo.
As baterias de íon de cálcio estão atraindo atenção porque o cálcio é abundante e oferece uma janela eletroquímica comparável à das LIBs. No entanto, barreiras técnicas têm retardado o progresso. Em particular, os íons de cálcio podem ser difíceis de mover com eficiência dentro de uma bateria, e manter um desempenho estável ao longo de ciclos repetidos de carga e descarga tem se mostrado desafiador. Esses problemas impediram que as CIBs competissem diretamente com os sistemas baseados em lítio já estabelecidos.
Eletrólitos Quasi-Sólidos Melhoram o Transporte de Íons
Para abordar esses problemas, uma equipe liderada pelo Prof. Yoonseob KIM, professor associado no Departamento de Engenharia Química e Biológica da HKUST, projetou estruturas orgânicas covalentes redox para funcionar como QSSEs. Esses materiais ricos em carbonila alcançaram uma condutividade iônica forte (0,46 mS cm-1) e capacidade de transporte de Ca2+ (>0,53) à temperatura ambiente.
Através de experimentos laboratoriais e simulações computacionais, os pesquisadores descobriram que os íons Ca2+ se movem rapidamente ao longo de grupos carbonila alinhados dentro dos poros estruturados das estruturas orgânicas covalentes. Esse caminho interno organizado ajuda a explicar a mobilidade iônica melhorada e o desempenho geral da bateria.
Desempenho Forte por Mais de 1.000 Ciclos
Usando esse design, a equipe montou uma célula completa de bateria de íon de cálcio que entregou uma capacidade específica reversível de 155,9 mAh g-1 a 0,15 A g-1. Mesmo a 1 A g-1, a bateria manteve mais de 74,6% de sua capacidade após 1.000 ciclos de carga e descarga. Esses resultados demonstram o potencial das estruturas orgânicas covalentes redox para fortalecer significativamente a tecnologia CIB.
O Prof. Kim disse: “Nossa pesquisa destaca o potencial transformador das baterias de íon de cálcio como uma alternativa sustentável à tecnologia de íon 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 possam atender às demandas de um futuro mais verde.”
A pesquisa foi realizada por meio de uma colaboração entre a HKUST e a Universidade Jiao Tong de Xangai.