La preocupación por la escasez, los elevados precios y la seguridad del uso a largo plazo de las baterías de iones de litio ha llevado a un equipo de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer a proponer una alternativa de almacenamiento de energía más ecológica, eficiente y económica.
En una investigación publicada recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el autor correspondiente, Nikhil Koratkar, catedrático de ingeniería John A. Clark y Edward T. Crossan en Rensselaer, y su equipo, afirman que los iones de calcio podrían utilizarse como alternativa a los iones de litio en las baterías debido a su abundancia y bajo coste.
“La gran mayoría de los productos de baterías recargables se basan en la tecnología de iones de litio, que es el estándar de oro en términos de rendimiento”, dijo el Dr. Koratkar.
“Sin embargo, el talón de Aquiles de la tecnología de iones de litio es el coste. El litio es un recurso limitado en el planeta y su precio ha aumentado drásticamente en los últimos años. Estamos trabajando en una química de baterías barata, abundante, segura y sostenible que utiliza iones de calcio en un electrolito acuoso a base de agua.”
Aunque el mayor tamaño y la mayor densidad de carga de los iones de calcio en relación con el litio perjudican la cinética de difusión y la estabilidad cíclica, el Dr. Koratkar y su equipo ofrecen estructuras de óxido con grandes espacios abiertos (canales heptagonales y hexagonales) como posible solución. En su trabajo, demuestran una batería acuosa de iones de calcio utilizando polimorfos ortorrómbicos y trigonales de óxido de molibdeno y vanadio (MoVO) como anfitrión de los iones de calcio.
“El ion de calcio es divalente y, por lo tanto, una inserción de iones entregará dos electrones por ion durante el funcionamiento de la batería”, explica el Dr. Koratkar.
“Esto permite obtener una batería muy eficiente con una masa y un volumen reducidos de iones de calcio. Sin embargo, la mayor carga iónica y el mayor tamaño de los iones de calcio en relación con el litio hacen muy difícil la inserción de iones de calcio en los electrodos de la batería. Superamos este problema desarrollando una clase especial de materiales llamados óxidos de molibdeno y vanadio que contienen grandes canales o túneles de forma hexagonal y heptagonal que atraviesan el material”.
El equipo demostró que los iones de calcio pueden introducirse y extraerse rápidamente del material, actuando estos túneles como “conductos” para el transporte reversible y rápido de iones, y los resultados indican que el MoVO ofrece uno de los mejores rendimientos registrados hasta la fecha para el almacenamiento de iones de calcio.
“Las baterías de iones de calcio podrían sustituir algún día, en un futuro no muy lejano, a la tecnología de iones de litio como la química de las baterías que impulsan nuestra sociedad”, explica el Dr. Koratkar. “Este trabajo puede dar lugar a una nueva clase de baterías de alto rendimiento basadas en el calcio que utilizan materiales abundantes y seguros en la Tierra y que, por tanto, son asequibles y sostenibles. Estas baterías podrían tener un uso generalizado en la electrónica portátil y de consumo, en los vehículos eléctricos y en el almacenamiento de energía renovable y en la red.”
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