Batería de calcio

Las baterías de (iones) calcio son tecnologías de almacenamiento y suministro de energía (es decir, almacenamiento electroquímico de energía) que emplean iones de calcio (cationes), Ca2+, como portador activo de carga en los electrolitos, así como en los electrodos (ánodo y cátodo).[1]​[2]​[3]​ Las baterías de (iones) calcio siguen siendo un área activa de investigación,[4]​[5]​ con estudios y trabajos persistentes en el descubrimiento y desarrollo de electrodos y electrolitos que permitan el funcionamiento estable y a largo plazo de la batería.[6]​

Historia

La aplicación de las baterías de calcio se remonta a la década de 1960 en baterías térmicas para aplicaciones militares y espaciales.[7]​El primer ejemplo de pila electroquímica fue la Ca//SOCl2 como pila primaria.[8]​Los primeros exámenes de los portadores de intercalación de Ca2+ propusieron óxidos y sulfuros de metales de transición.[9]​El estudio de las pilas de calcio, así como de la electroquímica del calcio, ha continuado desde entonces, y se ha ampliado la investigación debido a los recientes avances en la actividad redox efectiva de los metales de Ca, en particular a temperatura ambiente, que había sido un reto en este campo durante mucho tiempo.

Beneficios y ventajas

Propiedades de los materiales

En cuanto a las propiedades inherentes a los materiales, el calcio metal es conocido por su elevada conductividad y su altísima temperatura de fusión (842 °C) en comparación con otros metales. La mayor temperatura de fusión puede hacer que el calcio metal sea intrínsecamente más seguro. El calcio también es un elemento benigno para el medio ambiente, lo que mitiga las preocupaciones sobre su toxicidad.

Recursos y suministro

Las baterías de calcio se consideran un sistema de almacenamiento de energía de próxima generación o posterior a las baterías de iones de litio, es decir, uno de los muchos candidatos que pueden sustituir potencialmente a la tecnología de las baterías de iones de litio. También se trata de una batería multivalente. Sus principales ventajas son su menor coste, su abundancia en la tierra (41.500 ppm), su mayor densidad energética, gracias a la combinación de una alta capacidad y un alto voltaje de la célula,[10]​ y una potencia potencialmente mayor. El calcio es el quinto mineral más abundante de la corteza terrestre, el metal alcalinotérreo más abundante y el tercer metal más abundante después del aluminio (Al) y el hierro (Fe).[11]​

Electroquímica

En comparación con otros sistemas divalentes, las pilas de calcio tienen la posibilidad de voltajes de celda más altos que las de magnesio debido al potencial de reducción estándar 0,5 V más bajo del primero. Los iones Ca2+ también tienen la posibilidad de una cinética de reacción más rápida en comparación con el magnesio (Mg2+) debido a sus propiedades menos polarizantes y a su densidad de carga tanto en el electrolito como en un cátodo de intercalación.

Capacidad y densidad energética

Los ánodos de calcio metal tienen un estado de oxidación 2+, lo que proporcionaría una mayor densidad de energía respecto a los sistemas monovalentes (es decir, Li+ y Na+), y tiene un potencial de reducción estándar de 2,9 V, que es sólo 0,17 V superior al del litio metal. Un ánodo de calcio metálico ofrece una mayor capacidad volumétrica y gravimétrica (2072 mAh.mL-1 y 1337 mAh.g-1, respectivamente) que los ánodos de grafito comerciales actuales en las baterías de iones de litio (300-430 mAh mL-1 y 372 mAh g-1).[12]​Una batería de calcio y azufre (Ca//S) tiene unas densidades energéticas teóricas de 3202 Wh/L y 1835 Wh/kg, frente a los 2800 Wh/L de Li//S.

Esquema de una pila de calcio metal formada por un ánodo de calcio metal, un electrolito -la mayoría de las veces líquido- y un cátodo de intercalación, orgánico o de azufre.

Aplicaciones

En la actualidad, las baterías de (iones) calcio aún no se comercializan, sino que se encuentran en fase de investigación y desarrollo. Los esfuerzos se centran en desarrollar materiales eficaces para el ánodo y el cátodo, así como electrolitos estables. Se ha hecho especial hincapié en lograr una electroquímica fiable con un ánodo de calcio metálico puro para conseguir altos voltajes de funcionamiento, capacidades y densidades de energía. Sin embargo, los ánodos basados en carbono y óxidos metálicos, aunque proporcionan métricas de rendimiento inferiores, también son fiables.

Debido al mayor peso potencial de las baterías de calcio, se ha propuesto su uso en aplicaciones estacionarias, como el almacenamiento en red. La electrónica portátil, así como las aplicaciones en vehículos eléctricos, pueden ser posibles si se mejoran las capacidades gravimétricas y las densidades de corriente.

Retos

En la actualidad, las baterías de calcio presentan una disminución de la capacidad y densidades de energía relativamente menores que las baterías de metal-litio, pero se están realizando esfuerzos concertados para superar estos problemas.[13]​La interfaz del electrolito sólido (SEI) también muestra una migración lenta de los iones Ca2+. Las baterías de calcio que proporcionan densidades de energía comparables a las de las baterías de ión-litio y de metal-litio actuales requieren el empleo de un ánodo de metal de Ca puro. El calcio es un metal significativamente duro en comparación con el litio, lo que habrá que tener en cuenta para la integración práctica de las láminas de calcio en la fabricación de baterías, como las de bolsa y las cilíndricas.

Referencias

  1. ↑ Hosein ID (9 de abril de 2021). «The Promise of Calcium Batteries: Open Perspectives and Fair Comparisons». ACS Energy Letters 6 (4): 1560-1565. doi:10.1021/acsenergylett.1c00593. 
  2. ↑ Nielson KV, Liu TL (February 2020). «Dawn of Calcium Batteries». Angewandte Chemie 59 (9): 3368-3370. PMID 31961466. S2CID 210842839. doi:10.1002/anie.201913465. 
  3. ↑ A Youtube popular science animation explaining Ca batteries - a product of the H2020 project CARBAT (FET-Open) (en inglés), consultado el 13 de junio de 2021 .
  4. ↑ Arroyo-de Dompablo ME, Ponrouch A, Johansson P, Palacín MR (July 2020). «Achievements, Challenges, and Prospects of Calcium Batteries». Chemical Reviews 120 (14): 6331-6357. PMID 31661250. doi:10.1021/acs.chemrev.9b00339. 
  5. ↑ Stievano L, de Meatza I, Bitenc J, Cavallo C, Brutti S, Navarra MA (15 de enero de 2021). «Emerging calcium batteries». Journal of Power Sources (en inglés) 482: 228875. Bibcode:2021JPS...48228875S. ISSN 0378-7753. doi:10.1016/j.jpowsour.2020.228875. 
  6. ↑ Ji B, He H, Yao W, Tang Y (January 2021). «Recent Advances and Perspectives on Calcium-Ion Storage: Key Materials and Devices». Advanced Materials 33 (2): e2005501. PMID 33251702. S2CID 227237159. doi:10.1002/adma.202005501. 
  7. ↑ Selis SM, Wondowski JP, Justus RF (1 de enero de 1964). «A High‐Rate, High‐Energy Thermal Battery System». Journal of the Electrochemical Society 111 (1): 6. Bibcode:1964JElS..111....6S. ISSN 1945-7111. doi:10.1149/1.2426065. 
  8. ↑ Staniewicz RJ (1 de abril de 1980). «A Study of the Calcium‐Thionyl Chloride Electrochemical System». Journal of the Electrochemical Society (en inglés) 127 (4): 782-789. Bibcode:1980JElS..127..782S. ISSN 1945-7111. doi:10.1149/1.2129758. 
  9. ↑ Whittingham MS (1 de enero de 1978). «Chemistry of intercalation compounds: Metal guests in chalcogenide hosts». Progress in Solid State Chemistry 12 (1): 41-99. ISSN 0079-6786. doi:10.1016/0079-6786(78)90003-1. 
  10. ↑ Monti D, Ponrouch A, Araujo RB, Barde F, Johansson P, Palacín MR (2019). «Multivalent Batteries-Prospects for High Energy Density: Ca Batteries». Frontiers in Chemistry (en inglés) 7: 79. Bibcode:2019FrCh....7...79M. PMC 6391315. PMID 30842941. doi:10.3389/fchem.2019.00079. 
  11. ↑ Greenwood NN (1997). Chemistry of the Elements (2nd edición). Boston, Mass.: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3365-9. 
  12. ↑ Muldoon J, Bucur CB, Gregory T (December 2014). «Quest for nonaqueous multivalent secondary batteries: magnesium and beyond». Chemical Reviews 114 (23): 11683-11720. PMID 25343313. doi:10.1021/cr500049y. 
  13. ↑ Palacin M, Black A, Tchitchekova DS, Johansson P, Araujo RB, Aren F, Arroyo-de Dompablo E, Torres A, Tortajada J, Luque J, Wuersig A (23 de noviembre de 2020). «Tackling the Development of Rechargeable Calcium Batteries: The CARBAT Project». ECS Meeting Abstracts (en inglés). MA2020-02 (2): 449. ISSN 2151-2043. S2CID 234584810. doi:10.1149/MA2020-022449mtgabs. 

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