Esquema da bateria de cálcio metálico. A bateria tem o ânodo de cálcio, o cátodo de CuS e um eletrólito de hidrogênio.
[Imagem: Kazuaki Kisu et al. - 10.1002/advs.202301178]

Bateria de cálcio

Pesquisadores japoneses apresentaram a primeira bateria de íons de cálcio a atingir níveis de eficiência e durabilidade que a tornam viável para a comercialização.

Além de o cálcio ser muito mais abundante e mais barato do que o lítio, uma bateria de íons de cálcio pode superar os 2.000 mAh/cm-3, contra menos de 800 mAh/cm-3 das baterias de íons de lítio.

Suas propriedades também ajudam a acelerar o transporte de íons e a difusão em eletrólitos e materiais catódicos, dando-lhe uma vantagem sobre outras alternativas, como as baterias à base de magnésio e zinco.

Mas ainda havia desafios práticos a serem vencidos para que esses ganhos teóricos pudessem ser obtidos, sobretudo no tocante a encontrar um eletrólito eficiente e um cátodo com capacidade para armazenar íons de cálcio (Ca2+) em quantidade suficiente.

Kazuaki Kisu e seus colegas da Universidade de Tohoku, no Japão, conseguiram marcar pontos importantíssimos nesses dois quesitos.

A durabilidade da bateria saltou para mais de 500 ciclos, contra uns poucos ciclos demonstrados até então.
[Imagem: Kazuaki Kisu et al. - 10.1002/advs.202301178]

Ciclagem competitiva

No ano passado, a equipe encontrou uma solução para o problema do eletrólito de cálcio (Ca) usando um agrupamento de hidrogênio (monocarborano), com a vantagem adicional de eliminar o flúor. 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 Ca metálico com um cátodo composto de carbono/nanopartículas de sulfeto de cobre (CuS) e um eletrólito à base de hidreto," contou Kisu.

Também um mineral natural, o CuS tem propriedades eletroquímicas e uma estrutura em camadas que permite armazenar uma variedade de cátions, incluindo lítio, sódio e magnésio. Sua grande capacidade, de 560 mAh/g-1, é de duas a três vezes maior do que os materiais catódicos atuais para baterias de íons de lítio.

O resultado é uma bateria de íons de cálcio com um desempenho de ciclagem altamente estável. A bateria protótipo manteve 92% de retenção da capacidade após 500 ciclos de uso e recarregamento, e isso com base na capacidade do 10º ciclo. Embora exista um "número mágico" de 1.000 ciclos para viabilizar uma nova bateria no mercado, poucas baterias de lítio comercializadas hoje para reposição alcançam este número.

"Nosso estudo confirma a viabilidade de ânodos de metal Ca para operações de longo prazo e esperamos que os resultados acelerem o desenvolvimento das baterias de Ca metálico," disse Kisu.