Más allá del litio: Una búsqueda sistemática de materiales candidatos para las baterías de iones de calcio

Los coches eléctricos son el futuro; ayudarán a reducir la contaminación atmosférica y a acabar con nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, hay un problema evidente con esta tecnología potencialmente disruptiva: la disponibilidad de litio (Li) suficiente para producir todas estas baterías de coche. Las mejores baterías recargables de las que disponemos actualmente se basan en reacciones químicas en las que interviene el Li, razón por la cual se encuentran baterías de iones de litio en la mayoría de los aparatos electrónicos portátiles. Por desgracia, el Li no es abundante en la Tierra, y sus reservas representan tan sólo el 0,002% de la corteza terrestre. Cuando los coches eléctricos se generalicen, la demanda de Li empezará a superar la oferta.

Una posible salida a este enigma es diseñar nuevos tipos de baterías que dependan de metales alcalinos más abundantes en lugar del Li. De entre varios candidatos que podrían sustituir al Li, el calcio (Ca) destaca como un metal prometedor para las pilas recargables. El Ca no sólo es 10.000 veces más abundante que el Li, sino que, en teoría, puede dar un rendimiento similar a la batería. Sin embargo, el desarrollo de las baterías basadas en el Ca sigue presentando algunos obstáculos importantes, uno de los cuales es la falta de conocimientos sobre los materiales adecuados para el cátodo (terminal negativo) que puedan almacenar y liberar el Ca de manera eficiente y reversible.

Para ayudar a identificar los mejores materiales catódicos candidatos para las baterías de Ca, el profesor adjunto Haesun Park, de la Universidad de Chung-Ang (Corea), y sus colegas adoptaron un enfoque sistemático. Mediante simulaciones mecánicas cuánticas de alto rendimiento basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT), el equipo predijo las propiedades relevantes para las baterías de varios materiales en capas que combinaban óxidos de Ca y metales de transición.

La mayor parte de este trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Argonne y en un proyecto del Centro Conjunto de Investigación sobre Almacenamiento de Energía (JCESR) apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos. "La investigación sobre las baterías de calcio constituye uno de los principales esfuerzos en curso del JCESR", señala el profesor Park. "El apoyo estable de Argonne y del proyecto JCESR nos ha permitido abordar los retos de las baterías de iones de Ca, y sus entornos inclusivos sientan las bases para colaboraciones sinérgicas". El artículo asociado estuvo disponible en línea el 6 de noviembre de 2021, y fue publicado en el volumen 11, número 48 de Advanced Energy Materials el 23 de diciembre de 2021.

Los científicos consideraron siete iones de metales de transición y cuatro tipos de estructuras en capas para un total de 28 cátodos candidatos. Mediante cálculos DFT, evaluaron muchas características importantes, como su estabilidad termodinámica, densidad energética, capacidad de síntesis, movilidad del Ca y estructura electrónica. A su vez, esto les permitió identificar materiales prometedores para el desarrollo de baterías basadas en el Ca.

En concreto, los científicos identificaron el cobalto (Co) como un metal de transición bien redondeado para un cátodo basado en el Ca con la fórmula CaCo2O4. Además, también demostraron que la combinación de diferentes metales de transición en el cátodo puede ser una estrategia viable para mejorar ciertas características deseadas. "Conseguimos demostrar que los óxidos de metales de transición en capas, que se utilizan ampliamente en las baterías de litio, sodio y potasio, pueden ser una clase de materiales prometedores para los cátodos de Ca", destaca el profesor Park. "Las prometedoras estructuras candidatas y las composiciones químicas que hemos encontrado esperamos que animen a realizar más experimentos con estos materiales".

El desarrollo satisfactorio de baterías de iones de Ca de bajo coste y alto rendimiento ayudará sin duda a la necesaria transición de los coches tradicionales a los vehículos eléctricos, que serán más respetuosos con el medio ambiente en muchos aspectos. Esperemos que los trabajos experimentales consoliden las conclusiones de este estudio y allanen el camino hacia un futuro más ecológico.