Baterias de íons de cálcio:a próxima fronteira em armazenamento de energia

André Corselli
Prof. Yoonseob KIM (à direita), Professor Associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica e autor correspondente, e seu Ph.D. estudante YIN Zhuoyu (à esquerda), primeiro autor, que segura um molde de célula eletroquímica. Eles são retratados ao lado de um ciclador de células de bateria. (Imagem:HKUST)
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) alcançaram um avanço na tecnologia de baterias de íons de cálcio (CIB), que poderia transformar as soluções de armazenamento de energia na vida cotidiana. Utilizando eletrólitos de estado quase sólido (QSSEs), esses CIBs inovadores prometem aumentar a eficiência e a sustentabilidade do armazenamento de energia, impactando uma ampla gama de aplicações, desde sistemas de energia renovável até veículos elétricos. As descobertas são publicadas na revista internacional Advanced Science intitulada “Baterias de íons de cálcio de estado quase sólido de alto desempenho a partir de eletrólitos de estrutura orgânica covalente redox-ativa”.

A urgência por soluções sustentáveis de armazenamento de energia é cada vez mais crítica em todo o mundo. À medida que o mundo acelera a sua mudança para a energia verde, a procura por sistemas de baterias eficientes e estáveis ​​nunca foi tão premente. As principais baterias de iões de lítio (LIBs) atuais enfrentam desafios devido à escassez de recursos e à densidade energética quase limitada, tornando a exploração de alternativas como as CIBs essencial para um futuro sustentável.

Os CIBs são muito promissores devido à sua janela eletroquímica comparável à dos LIBs e à sua abundância na Terra. No entanto, eles enfrentam dificuldades, especialmente para conseguir um transporte eficiente de cátions e manter um desempenho de ciclismo estável. Estes obstáculos limitam atualmente a competitividade dos CIB em relação aos LIB disponíveis comercialmente.

Para superar esses desafios, a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Yoonseob KIM, Professor Associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica, HKUST, desenvolveu estruturas orgânicas covalentes redox para servir como QSSEs. Esses QSSEs ricos em carbonila demonstraram notável condutividade iônica (0,46 mS cm-1) e capacidade de transporte de Ca2+ (>0,53) à temperatura ambiente. Combinando estudos experimentais e de simulação, a equipe revelou que o Ca2+ se transporta rapidamente ao longo dos grupos carbonila alinhados dentro dos poros ordenados dos COFs.

Esta abordagem inovadora levou à criação de uma célula completa de íons de cálcio que exibiu uma capacidade específica reversível de 155,9 mAh g-1 a 0,15 A g-1 e manteve mais de 74,6 por cento de retenção de capacidade a 1 A g-1 após 1.000 ciclos, demonstrando o potencial dos COFs redox para o avanço da tecnologia CIB.
Esquemas mostrando os processos sintéticos de produção de eletrólitos de estado quase sólido baseados em estrutura orgânica covalente e funcionamento de célula completa realizados neste trabalho. (Imagem:HKUST)
Aqui está um Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com Kim.

Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou ao desenvolver esta inovação tecnológica CIB?

Kim :O maior desafio foi o movimento inerentemente lento dos íons de cálcio. Comparados aos íons de lítio, os íons de cálcio têm um tamanho maior e uma carga mais forte, o que torna sua difusão muito mais lenta – especialmente em eletrólitos de estado quase sólido, onde a condutividade pode ser dez vezes menor que a do lítio. Superar essa queda significativa na condutividade foi fundamental para tornar viáveis ​​as baterias de íons de cálcio.

Para resolver isso, exploramos o uso de materiais porosos altamente cristalinos para construir vias de transporte de íons alinhadas verticalmente. Ao projetar essas estruturas, pretendemos criar canais contínuos que facilitam o movimento dos íons. Além disso, introduzimos sítios ativos estrategicamente posicionados ao longo dessas vias para promover e sustentar o transporte eficiente de íons cálcio. Esta abordagem não foi apenas inovadora, mas também excepcionalmente desafiadora de implementar, pois exigia um controle preciso sobre a arquitetura dos materiais e a química da superfície em nanoescala.

Resumos técnicos :Você pode explicar em termos simples como funciona, por favor?

Kim :Imagine uma bateria tradicional como dois contêineres conectados por uma ponte. Os íons – portadores carregados – precisam cruzar essa ponte para gerar eletricidade. Nas baterias de cálcio, o desafio é que os íons de cálcio são maiores e “mais pegajosos” do que os íons de lítio usados ​​na maioria das baterias atualmente. Eles tendem a desacelerar ou ficar presos ao longo do caminho, especialmente em nosso eletrólito quase sólido – que é mais sólido do que líquido.

Então, construímos um sistema rodoviário especial dentro de nossa bateria. Usando materiais porosos, criamos pistas claras que guiam os íons de cálcio na direção certa. Também adicionamos “estações de serviço” ao longo do caminho – pontos que dão um pequeno impulso aos íons para mantê-los em movimento. Este design ajuda os grandes íons de cálcio a viajarem com eficiência, para que a bateria possa armazenar e fornecer energia de maneira eficaz, usando cálcio abundante em vez do escasso lítio.

Resumos técnicos :Você tem planos definidos para futuras pesquisas/trabalhos/etc.? Se não, quais são seus próximos passos?

Kim :Sim, temos os próximos passos claros. Primeiro, planejamos otimizar ainda mais os canais de transporte de íons para alcançar uma condutividade de íons de cálcio ainda maior. Nosso objetivo é permitir a condução de íons de cálcio únicos através dos materiais de estruturas orgânicas covalentes (COFs), o que significa que cada canal transporta íons de forma mais eficiente, como uma via expressa dedicada.

Em segundo lugar, trabalharemos na otimização dos materiais e estruturas do cátodo e do ânodo. Em última análise, pretendemos desenvolver uma bateria de íons de cálcio totalmente em estado sólido, o que melhoraria ainda mais a densidade energética e a segurança. Isso nos aproxima de uma bateria prática e de alto desempenho que utiliza cálcio em abundância.

Resumos técnicos :Há mais alguma coisa que você gostaria de acrescentar que eu não mencionei?

Kim :Vou falar sobre a direção promissora das baterias recarregáveis, uma direção importante que nos entusiasma:no momento, estamos focados na construção de baterias com materiais anódicos ativos, mas nosso objetivo final é desenvolver baterias sem ânodo.

Imagine uma bateria onde você não precisa carregar o material do ânodo – ele se forma durante o carregamento. Isso aumentaria significativamente a densidade de energia porque você usaria cada pedaço de material com eficiência. É como colocar mais bagagem na mesma mala.

O design sem ânodos é considerado a próxima geração de baterias recarregáveis e acreditamos que a química do cálcio oferece uma oportunidade única para chegar lá. É ambicioso, mas é nisso que estamos trabalhando.

Resumos técnicos :Você tem algum conselho para pesquisadores que desejam concretizar suas ideias?

Kim :Aqui estão algumas sugestões:

Primeiro, não evite problemas difíceis – aceite-os. Se um desafio for difícil, significa que a solução será valiosa. Os íons de cálcio são inerentemente mais lentos que o lítio, mas superar esse desafio fundamental é o que torna esta descoberta significativa.

Segundo, pense estruturalmente, não apenas quimicamente. Às vezes a resposta não é um material novo, mas como você o organiza. Nosso projeto de canal poroso surgiu da pergunta não apenas “o quê”, mas “como” – como os íons realmente se movem pelo espaço?

E, finalmente, seja paciente, mas persistente. Avanços raramente acontecem da noite para o dia. Eles vêm de vitórias pequenas e incrementais – como melhorar a condutividade em alguns por cento, depois em mais alguns, até que de repente você ultrapassa um limite.

Os problemas que valem a pena resolver são aqueles que não desistem facilmente.