Ánodos novedosos para baterías acuosas seguras y estables a base de agua de mar

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Investigadores de EE. UU. han desarrollado un ánodo de batería basado en una nueva aleación nanoestructurada que podría cambiar la forma en que se diseñan y fabrican los dispositivos de almacenamiento de energía. La nueva aleación también aumenta el potencial de reemplazar los electrolitos solventes con agua de mar, una alternativa más segura, económica y abundante.

Ánodos novedosos, una alternativa segura y abundante

En las baterías, los electrolitos ofrecen un camino para que los iones se muevan del cátodo al ánodo durante la carga y en la dirección inversa durante la descarga. Como alternativa a los electrolitos orgánicos inflamables que se utilizan en las baterías de litio, los electrolitos conductores a base de agua son más seguros ya que no son inflamables y son benignos para el medio ambiente. Las baterías acuosas han recibido una mayor atención recientemente, pero el uso a gran escala se ha visto obstaculizado por problemas de inestabilidad entre el ánodo metálico y el electrolito, lo que conduce a un rendimiento y una vida útil limitados.

El uso de ánodos de metal (por ejemplo, litio) puede aumentar la capacidad de la batería, pero también trae problemas de inestabilidad como el crecimiento de dendrita, corrosión del metal, interferencia de iones y reacciones secundarias. Esto es inevitable en una batería comercial de iones de litio.

Cómo fue su desarrollo

El equipo de investigación en colaboración desarrolló un ánodo de batería de zinc-manganeso (Zn-Mn) tridimensional (3D) que suprime la formación de dendritas, crecimientos en forma de árbol, resolviendo así el problema de inestabilidad en las baterías acuosas. Mediante el uso de zinc, a diferencia del litio, las baterías también pueden transferir el doble de cargas durante un solo proceso de carga o descarga, duplicando así la capacidad de energía de la batería.

Utilizaron un método de electrodeposición para sintetizar varios tipos de ánodos de aleación. El proceso de electrodeposición involucró el inicio del crecimiento en la superficie del electrodo que condujo a grupos de depósitos de aleación que luego se combinan para formar una estructura 3D.

Las baterías de ánodo de Zn-Mn mostraron una mejor estabilidad en comparación con las baterías acuosas en trabajos anteriores que empleaban ánodos de Zn convencionales. Esto también se demostró bajo duras condiciones electroquímicas, a saber, alta densidad de corriente (carga rápida) y agua de mar (muchos iones contaminantes en comparación con el agua desionizada).

Usando agua de mar como electrolito, las baterías de Zn-Mn pudieron operar de manera estable durante 1900 ciclos, o durante 760 h, a una alta densidad de corriente de 80 mA / cm 2 . En comparación, las baterías de ánodo de Zn convencionales demostraron estabilidad hasta 2400 h, pero solo a una densidad de corriente de 2 mA / cm 2 . La densidad de corriente más alta alcanzada anteriormente para los ánodos de Zn convencionales fue de 40 mA / cm 2 , con una estabilidad de más de 290 h.

Zhenxing Feng, profesor asistente de ingeniería química en la Universidad Estatal de Oregon (OSU)

La prueba

En las pruebas de carga / descarga utilizadas para demostrar el rendimiento práctico de las baterías de aleación de Zn-Mn, mostraron estabilidad durante 6.000 minutos, a una densidad de corriente de 10 mA / cm 2 . En comparación, las baterías de aleación de Zn fallaron después de 2.760 minutos.

Además de la estrategia de diseño para los nuevos ánodos, el equipo también ideó un método óptico para observar (en tiempo real) la morfología del ánodo de la batería durante la carga y descarga de la batería. El método implica sumergir los elementos de la batería en electrolito y usar cambios en la intensidad de la luz reflejada para visualizar el crecimiento de las dendritas. Este es un hito en el desarrollo de electrodos duraderos para baterías, dicen los investigadores.

Zhenxing Feng, profesor asistente de ingeniería química en la Universidad Estatal de Oregon (OSU), dijo que los investigadores ahora están probando otros ánodos de aleación. Feng agregó que en el futuro, para desarrollar aún más esta tecnología, será necesario identificar un cátodo adecuado para emparejar con los materiales del ánodo desarrollados. Una vez que esto se logra, la tecnología puede progresar a escala comercial.

Según los investigadores, el concepto dará como resultado un cambio de paradigma en el diseño de ánodos de aleación de alto rendimiento para baterías acuosas y no acuosas, lo que revolucionará la industria de las baterías.

El trabajo se llevó a cabo como una colaboración entre OSU, la Universidad de Florida Central y la Universidad de Houston, y fue apoyado por la National Science Foundation, una agencia estadounidense encargada de hacer progresar la ciencia en beneficio de la nación. Fuente: thechemicalengineer.com