Об этом прорыве было сообщено в журнале Передовая наука 19 мая 2023 года.

С ростом использования электромобилей и систем накопления энергии в масштабах сети потребность в изучении альтернатив литий-ионным батареям (li-ion) как никогда велика. Одной из таких заменителей являются металлические батареи Ca. Являясь пятым по распространенности элементом в земной коре, кальций широко доступен и недорог, а также обладает более высоким потенциалом плотности энергии, чем LIBs. Считается также, что его свойства помогают ускорить транспорт ионов и диффузию в электролитах и катодных материалах, что дает ему преимущество перед другими альтернативами LIB, такими как магний и цинк.

Но на пути коммерческой жизнеспособности аккумуляторов из Ca-металла остается много препятствий. Отсутствие эффективного электролита и катодных материалов с достаточным содержанием Ca²⁺ возможности хранения оказались главными камнями преткновения.

Еще в 2021 году некоторые члены нынешней исследовательской группы предложили решение прежней проблемы, когда они разработали новый не содержащий фтора кальциевый (Ca) электролит на основе кластера водорода (монокарборана). Электролит продемонстрировал заметно улучшенные электрохимические характеристики, такие как высокая проводимость и высокая электрохимическая стабильность.

"В рамках нашего текущего исследования мы протестировали долговременную работу батареи из металла Ca с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS) / углеродного композита и электролитом на основе гидрида", - говорит Казуаки Кису, доцент Института исследований материалов Университета Тохоку (IMR).

Также являясь природным минералом, КаС обладает благоприятными электрохимическими свойствами. Его слоистая структура позволяет ему накапливать различные катионы, включая литий, натрий и магний. Он обладает большой теоретической емкостью - 560 мАч g-1, что в два-три раза выше, чем у современных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов.

Благодаря наночастицам и соединению с углеродными материалами Кису и его коллеги смогли создать катод, способный накапливать большое количество ионов кальция. При использовании с электролитом гидридного типа они создают батарею с очень стабильными циклическими характеристиками. Прототип батареи сохранял емкость на 92% в течение 500 циклов, исходя из емкости 10-го цикла.

Группа уверена, что их прорыв поможет продвинуть исследования в области катодных материалов для аккумуляторов на основе Ca. "Наше исследование подтверждает целесообразность использования анодов из Ca-металла для длительной эксплуатации, и мы надеемся, что результаты ускорят разработку аккумуляторов из Ca-металла", - говорит Кису.