Kalciumbaserade batterier lovar att nå en hög energitäthet till låga tillverkningskostnader. Denna teknik i labbskala har potential att ersätta litiumjonteknik i framtida energilagringssystem. Med hjälp av tillgängliga elektrolyter, dock, det har hittills varit omöjligt att ladda kalciumbatterier i rumstemperatur. I den Energi- och miljövetenskap tidning, forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) presenterar nu en lovande elektrolytklass, med vilken detta kommer att vara möjligt.

Effektiv, stor, och lågkostnadssystem för energilagring kommer att underlätta rikstäckande övergång till nollutsläppsmobilitet och strömförsörjning. Dagens dominerande litiumjonteknologi, dock, inte kan utföra denna uppgift på global skala, säger professor Maximilian Fichtner på KIT, Direktör för forskningsplattformen CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe). Här, kalciumbatterier och andra lagringstekniker studeras. "På medellång sikt, litiumjonbatterier kommer att nå sina gränser när det gäller prestanda och några av de resurser som används för deras tillverkning. Detta kommer att förhindra deras framtida användning där det skulle vara rimligt för energiomställningen. Tillgänglighet på resurser som behövs för tillverkning, som kobolt, nickel, och litium, är begränsad." Vid Helmholtz Institute Ulm (HIU) etablerat av KIT i samarbete med Ulm University, Fichtner och hans team fokuserar istället på alternativ batteriteknik. Dessa teknologier är baserade på mer rikliga resurser. Kalcium är en lovande kandidat, eftersom det kan frigöra och ta emot två elektroner per atom i motsats till litium och för att det levererar en spänning som liknar den för litium:"Kalcium är det femte mest förekommande grundämnet i jordskorpan. Det är fördelat homogent på jorden och det är säkert, giftfri, och billigt."

Sök efter en lämplig elektrolyt

Fortfarande, det har funnits ett stort hinder i utvecklingen av kalciumbatterier hittills:I motsats till den etablerade litiumjonteknologin eller nyare natrium- eller magnesiumteknologier, praktiska elektrolyter för att producera uppladdningsbara kalciumbatterier har hittills saknats. "Sedan några år nu, experimentella elektrolyter och, därav, prototyper av kalciumbatteriet har varit tillgängliga, säger Dr Zhenyou Li, första författare till studien, och Dr Zhirong Zhao-Karger, vem som leder projektet. Båda arbetar i POLiS (Post Lithium Storage) Cluster of Excellence of KIT som är inbäddat i CELEST. "Men dessa elektrolyter möjliggör laddning endast vid temperaturer över 75 grader Celsius och dessutom är de mottagliga för oönskade bireaktioner."

Forskarna har nu lyckats syntetisera en klass av nya elektrolyter baserade på speciella organiska kalciumsalter. Dessa elektrolyter möjliggör laddning vid rumstemperatur. Genom att använda den nya elektrolyten kalciumtetrakis[hexafluorisopropyloxi]borat, forskarna visade genomförbarheten av kalciumbatterier med hög energitäthet, lagringskapacitet, och snabbladdningskapacitet. Deras resultat redovisas i tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Kalciumbatterier som hållbara energilagringssystem

Den nya klassen av elektrolyter är en viktig grund för att överföra kalciumbatterier från laboratoriet till applikationen. I elfordon, mobila elektroniska enheter, och stationära lagringssystem, de kan ersätta det för närvarande dominerande litiumjonbatteriet en dag. Men det här kan ta ett tag:"De nya elektrolyterna är ett första viktigt steg, "Fichtner betonar. "Det är fortfarande en lång väg att gå till det mogna kalciumbatteriet."