Raggiunta una svolta nella conduttività ionica delle batterie al calcio grazie a elettroliti organici covalenti quasi allo stato solido
Accumulo di energia sostenibile
Le batterie agli ioni di calcio possono rappresentare un’alternativa sostenibile alla tecnologia agli ioni di litio. Una possibilità che diventa oggi più concreta grazie a una nuova ricerca condotta dall’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong. Qui, un team di scienziati ha creato un’unità con una buona capacità specifica, in grado di mantenere oltre il 74% del valore iniziale anche dopo mille cicli di carica e scarica. Il merito va a una nuova “ricetta” che ha previsto la produzione e l’impiego di elettroliti quasi allo stato solido all’interno della cella.
Ma per comprendere appieno lo studio è necessario fare un passo indietro.
Batterie a ioni calcio, vantaggi e svantaggi
Le batterie ricaricabili agli ioni calcio (Ca2+) dell’Ateneo rappresentano l’evoluzione più moderna della tecnologia sviluppata negli anni ’60 come accumulatori termici per applicazioni militari e spaziali. Queste unità utilizzano il Ca2+ come portatore di carica attivo, sfruttando quindi come materia prima una risorsa decisamente più abbondante e a buon mercato del litio. Il calcio è infatti il quinto elemento più abbondante sulla Terra. E, utilizzato negli elettrodi, vanta capacità volumetrica e potenziale redox teorici paragonabili a quelli del litio.
Il suo punto debole? Gli ioni calcio si muovono con fatica negli elettroliti tradizionali, degradando rapidamente le prestazioni della batteria. Inoltre, in presenza di elettroliti liquidi, i materiali del catodo e dell’anodo tendono a dissolversi, rendendo la batteria instabile.
Elettroliti organici allo stato quasi solido
Per risolvere questi problemi, i ricercatori hanno proposto di abbandonare gli elettroliti liquidi a favore di strutture organiche covalenti (COF). I COF sono polimeri cristallini porosi e ordinati che, grazie a specifici gruppi funzionali, sono in grado di interagire con gli ioni calcio e guidarli attraverso la batteria lungo una sorta di “binari” elettrochimici. Perché ciò accada, tuttavia, il team ha dovuto bagnare i cristalli con un solvente a base di carbonato di propilene, grazie al quale è stato possibile sciogliere il sale di calcio per farlo entrare nei canali del COF.
Il risultato pratico è un elettrolita quasi allo stato solido che ha dimostrato una notevole conduttività ionica (0,46 mS/cm) e una buona capacità di trasporto degli ioni (>0,53) a temperatura ambiente.
La durata delle nuove batterie a ioni calcio
Questo approccio innovativo ha portato alla creazione di una cella completa agli ioni di calcio con una capacità specifica reversibile di 155,9 mAh/g a 0,15 A/g, che ha mantenuto il 74,6% della capacità iniziale dopo 1.000 cicli a 1 A/g.
“La nostra ricerca evidenzia il potenziale trasformativo delle batterie agli ioni di calcio come alternativa sostenibile alla tecnologia agli ioni di litio”, ha spiegato il professor Yoonseob Kim. “Sfruttando le proprietà uniche delle strutture organiche covalenti redox, abbiamo compiuto un passo significativo verso la realizzazione di soluzioni di accumulo di energia ad alte prestazioni, in grado di soddisfare le esigenze di un futuro più verde”.
La ricerca, dal titolo “High-Performance Quasi-Solid-State Calcium-Ion Batteries from Redox-Active Covalent Organic Framework Electrolytes“, è stata pubblicata sulla rivista scientifica Advanced Science.
