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Um grupo de pesquisa desenvolveu um protótipo de bateria recarregável de metal de cálcio (Ca) capaz de 500 ciclos de carga e descarga repetidas – a referência para uso prático.
A descoberta foi noticiada na revista ciência avançada em 19 de maio de 2023.
Com o uso de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia em escala de rede em ascensão, a necessidade de explorar alternativas às baterias de íon-lítio (LIBs) nunca foi tão grande. Uma dessas substituições são as baterias de metal Ca. Como o quinto elemento mais abundante na crosta terrestre, o cálcio é amplamente disponível e barato, e tem maior potencial de densidade de energia do que LIBs. Acredita-se também que suas propriedades ajudem a acelerar o transporte de íons e a difusão em eletrólitos e materiais catódicos, dando-lhe uma vantagem sobre outras alternativas LIB, como magnésio e zinco.
Mas muitos obstáculos permanecem no caminho da viabilidade comercial das baterias de metal Ca. A falta de um eletrólito eficiente e a ausência de materiais catódicos com Ca suficiente2+ as capacidades de armazenamento provaram ser os principais obstáculos.
Em 2021, alguns membros do atual grupo de pesquisa forneceram uma solução para o problema anterior quando criaram um novo eletrólito de cálcio (Ca) sem flúor baseado em um cluster de hidrogênio (monocarborano). O eletrólito demonstrou desempenhos eletroquímicos acentuadamente melhorados, como alta condutividade e altas estabilidades eletroquímicas.
“Para nossa pesquisa atual, testamos a operação de longo prazo de uma bateria de metal Ca com um cátodo composto de nanopartículas de carbono/sulfeto de cobre (CuS) e um eletrólito à base de hidreto”, disse Kazuaki Kisu, professor assistente do Instituto de Materiais da Universidade de Tohoku. Pesquisa (IMR).
Também um mineral natural, CuS tem propriedades eletroquímicas favoráveis. Sua estrutura em camadas permite armazenar uma variedade de cátions, incluindo lítio, sódio e magnésio. Tem uma grande capacidade teórica de 560 mAh g-1 – duas a três vezes maior do que os atuais materiais catódicos para baterias de íon-lítio.
Por meio de nanopartículas e composição com materiais de carbono, Kisu e seus colegas conseguiram criar um cátodo capaz de armazenar grandes quantidades de íons de cálcio. Quando empregados com o eletrólito do tipo hidreto, eles produzem uma bateria com um desempenho de ciclo altamente estável. A bateria protótipo manteve 92% de retenção de capacidade em 500 ciclos com base na capacidade do 10º ciclo.
O grupo está confiante de que sua descoberta ajudará no avanço da pesquisa sobre materiais catódicos para baterias à base de cálcio. “Nosso estudo confirma a viabilidade de ânodos de metal Ca para operações de longo prazo, e esperamos que os resultados acelerem o desenvolvimento de baterias de metal Ca”, disse Kisu.
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