Wapń chce zdetronizować lit: ta nowa bateria już przekracza 1.000 cykli

Głównym problemem baterii wapniowych do tej pory było zapewnienie takiego ruchu jonów wapnia wewnątrz baterii, aby odbywał się on z wystarczającą łatwością. Do tego dochodziła jeszcze jedna istotna trudność: utrzymanie stabilnych parametrów wydajności po wielu cyklach ładowania i rozładowywania. Nowe badania adresują właśnie te dwa problemy poprzez opracowanie nowego elektrolitu typu quasi-twardego.

Kluczem są materiały znane jako struktury organiczne kowalencyjne o aktywności redoks, które charakteryzują się strukturą porowatą i bogatą w grupy karbonylowe. Mówiąc prościej, badacze stworzyli rodzaj wewnętrznej sieci, która ułatwia ruch jonów wapnia wewnątrz baterii. To właśnie ten ruch do tej pory poważnie ograniczał rozwój tej technologii.

Wyniki uzyskane w laboratorium są dość imponujące. Komórka całkowita opracowana przez zespół osiągnęła odwracalną pojemność właściwą na poziomie 155,9 mAh/g, przy czym zachowała ponad 74,6% swojej pojemności po 1.000 cyklach ładowania i rozładowywania przy wysokim prądzie. Dla technologii, która wciąż znajduje się na etapie badań, jest to znaczący wynik.

Prace te zostały przeprowadzone wspólnie przez badaczy z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu oraz Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju i zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym Advanced Science. Badanie ukazało się początkowo w listopadzie 2025 roku, a później zostało włączone do tomu z 2026 roku tego wydania.

Wapń ma stać się prawdziwą alternatywą dla baterii

Zainteresowanie wapniem nie jest przypadkowe. Jest to element bardzo obfity na Ziemi i znacznie łatwiej dostępny niż lit, co otwiera drogę do tworzenia systemów przechowywania wykorzystujących surowce potencjalnie łatwiejsze do zdobycia. Zgodnie z informacjami opublikowanymi przez sam uniwersytet, wapń występuje na Ziemi w znacznie większych ilościach niż lit, co jest jednym z argumentów tłumaczących rosnące zainteresowanie tą technologią.

Ponadto baterie wapniowe charakteryzują się pewnymi właściwościami elektrochemicznymi, które czynią je szczególnie interesującymi do przechowywania energii. Problem polega na tym, że jedno to mieć materiał obfity, a zupełnie co innego – stworzyć baterię zdolną konkurować pod względem wydajności, trwałości i kosztu z obecnymi bateriami litowymi.

Właśnie tu wchodzi nowy elektrolit opracowany przez badaczy. Użyte struktury tworzą wewnętrzne kanały, które umożliwiają znacznie efektywniejszą transportację jonów wapnia. W przeprowadzonych testach w temperaturze pokojowej uzyskano przewodność jonową na poziomie 0,46 mS/cm oraz liczbę przenoszenia wapnia wynoszącą 0,532.

Najważniejsze jest to, że postęp nie ograniczył się do pojedynczych testów materiałów. Zespół zdołał zbudować kompletną komórkę baterii wapniowej i sprawdzić jej zachowanie podczas setek cykli. Utrzymanie ponad 74,6% pojemności po 1.000 cyklach stanowi krok naprzód w rozwiązywaniu niektórych z głównych problemów, które do tej pory hamowały rozwój tej technologii.

To w żadnym wypadku nie oznacza, że w najbliższym czasie zobaczymy samochody elektryczne z bateriami wapniowymi. Przed przeniesieniem tych wyników laboratoryjnych na baterię komercyjną pozostaje jeszcze wiele kroków, szczególnie jeśli chodzi o gęstość energetyczną, moc, zachowanie w różnych temperaturach, produkcję na dużą skalę, koszt oraz trwałość w rzeczywistych warunkach.

Jednak wyniki te faktycznie pokazują, że baterie wapniowe zaczynają przezwyciężać niektóre z kluczowych przeszkód, które wcześniej stanowiły problem. Może to być szczególnie interesujące w zastosowaniach, gdzie koszt i dostępność surowców odgrywają ważną rolę, począwszy od magazynowania energii odnawialnej, a skończywszy potencjalnie na samochodach elektrycznych w przyszłości.

Faktycznie, sama Uniwersytet Nauki i Technologii w Hongkongu skupia się na zastosowaniach obejmujących od systemów przechowywania energii odnawialnej po samochody elektryczne. Celem nie jest zastąpienie jutro baterii litowych, lecz udowodnienie, że istnieją alternatywne rozwiązania zdolne do zapewnienia wystarczająco wysokiej wydajności, aby uzasadnić dalsze badania.

I tu prawdopodobnie znajduje się najciekawsza część. Wyścig o znalezienie baterii przyszłości nie ogranicza się do jednej technologii. Sód, wapń, baterie z ciekłym elektrolitem oraz inne rozwiązania rozwijają się równolegle. Niektóre z nich odegrają ważną rolę w samochodach elektrycznych, podczas gdy inne mogą znaleźć zastosowanie w przechowywaniu energii elektrycznej.

Na razie bateria na wapń opracowana przez tych badaczy jest jedynie prototypem laboratoryjnym. Jednak fakt, że udało się połączyć quasi-twardy elektrolit zdolny do ułatwiania ruchu jonów wapnia z żywotnością wynoszącą 1000 cykli, pokazuje, że ta chemia nie może już być traktowana wyłącznie jako teoretyczna alternatywa. Wapń zaczyna poważnie pukać do drzwi baterii następnej generacji.

Źródło | Advanced

Główne punkty

Badacze z Hongkongu i Szanghaju opracowali nową baterię na wapń.

Wykorzystuje quasi-twardy elektrolit oparty na strukturach kowalencyjnych organicznych.

Nowa struktura ułatwia ruch jonów wapnia.

Cel osiągnęła odwracalną pojemność właściwą wynoszącą 155,9 mAh/g.

Po 1000 cyklach zachowała ponad 74,6% swojej pojemności.

Kalcyum występuje o wiele obficiej niż lit, więc mógłby zmniejszyć zależność od surowców bardziej ograniczonych.

Nadal jest to technologia eksperymentalna i przed jej wprowadzeniem do samochodów elektrycznych pozostają istotne wyzwania.

Pierwotnymi zastosowaniami mogą być magazynowanie energii oraz źródła odnawialne.