Las baterías recargables están posibilitando que el mundo se vuelva cada vez más eléctrico, en particular las baterías de iones de litio (LIB). Si bien este tipo de baterías permite la alimentación de dispositivos electrónicos portátiles y modos de transporte sostenibles, cuenta con limitaciones tecnológicas para un mayor almacenamiento y un uso más versátil de la energía renovable. En un contexto en el que se necesitan soluciones de batería más sostenibles y potentes, el proyecto europeo Carbat (tecnología de baterías recargables de calcio) ha desarrollado una nueva investigación que posiciona las baterías a base de calcio (Ca) metal como una alternativa sostenible a las baterías tradicionales de iones de litio.
Las baterías basadas en calcio prometen un gran aumento de la densidad de energía y son especialmente atractivas, ya que el Ca es el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre. El proyecto propone baterías recargables a base de calcio para ayudar a resolver algunos de los grandes desafíos que enfrenta nuestra sociedad moderna: contaminación, dependencia del petróleo y cambio climático. Su principal objetivo se basa en lograr una prueba de concepto para una batería recargable de ánodo de Ca con> 650 Wh / kg y> 1400 Wh / l.
Carbat es un proyecto financiado con fondos europeos, con más de 2 millones de euros del programa de investigación e innovación Horizonte 2020, dedicado al desarrollo de una tecnología de baterías a base de calcio metal, para proporcionar un gran incremento en la densidad de energía y la seguridad. Tras cerca de cuatro años de trabajo, terminó en marzo de 2021. El proyecto ha sido coordinado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), y en el consorcio han participado la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) y el Instituto Fraunhofer de Tecnología del Silicio (Alemania).
Prueba de concepto
El objetivo del proyecto Carbat era lograr una prueba de concepto de una celda de batería recargable basada en un ánodo de metal Ca con una densidad de energía considerablemente más alta que la que ofrecen las baterías de iones de litio en la actualidad. Para ello, el proyecto utilizó una combinación de diseño computacional, ciencia de materiales, electroquímica e ingeniería de baterías.
La iniciativa se centra en desarrollar materiales cátodos activos que operen a 4 V y con capacidades de 200-300 mAh/g, optimizar las formulaciones de electrolitos para un transporte rápido de Ca 2+ (> 1 mS/cm), y el montaje de demostradores de celda completa de 100 mAh que integran dichos materiales.
Como punto de partida, el proyecto utilizó un cribado computacional para seleccionar los materiales más relevantes, cada uno de los cuales fue evaluado con respecto al desempeño electroquímico. Esto permitió identificar una determinada cantidad de materiales inorgánicos que serían aptos como electrodos positivos. Algunos de estos materiales mostraron un rendimiento preliminar interesante y, utilizando el mismo enfoque, también se encontraron algunas formulaciones de electrolitos nuevas.
Desarrollo de cátodos y electrolitos
El proyecto desarrolló un material activo de cátodo adecuado a partir de un enfoque combinado computacional y experimental. El punto de partida es el cribado de bases de datos de compuestos conocidos para seleccionar composiciones y estructuras adecuadas basándose en consideraciones de química de cristales. Esto permitió la selección de materiales a sintetizar y caracterizar para validar el rendimiento electroquímico, la procesabilidad y la compatibilidad con los procesos de fabricación de celdas estándar.
El siguiente paso es desarrollar electrolitos que permitan una transferencia de iones Ca 2+ rápida y precisa entre los electrodos, con el objetivo de establecer las opciones más prometedoras de materiales y composiciones.
El objetivo último es demostrar la nueva tecnología de baterías Carbat mediante el desarrollo de tecnologías de procesamiento de electrodos y el ensamblaje de baterías con materiales cátodos activos seleccionados y electrolitos basados en arquitecturas de celda estándar y procesos de fabricación.
Avance para crear baterías con una elevada densidad de energía
Gracias al trabajo desarrollado en el marco del proyecto Carbat, los investigadores ahora tienen una mejor comprensión de los mecanismos y el rendimiento que es posible cuando se utilizan estos nuevos materiales. “Descubrir cómo habilitar el uso de Ca como ánodo es un paso crucial hacia la creación de baterías con una densidad de energía muy alta”, destacan los investigadores.
Este trabajo es la base desde la cual esperan poder crear una batería a base de metal Ca con mejor rendimiento y sostenibilidad, lo que puede abrir la puerta al uso a gran escala de energías renovables. Los investigadores continúan trabajando en los electrodos y electrolitos, además de mejorar el nivel de preparación tecnológica del concepto.