Los científicos están creando nuevas células de saco de aire y zinc

Los científicos están creando nuevas células de saco de aire y zinc

Fuente: Shinde et al.

Las baterías de zinc-aire (ZAB) se encuentran entre las tecnologías de baterías de próxima generación más prometedoras debido a sus muchas propiedades beneficiosas. En primer lugar, estas baterías tienen estructuras semiabiertas únicas, una densidad de energía teórica significativa (1086 y 1370 Wh kg−1 con y sin oxígeno, respectivamente), electrodos flexibles y electrolito inherentemente a base de agua. Además, a diferencia de otros materiales utilizados en las baterías, el zinc (Zn) es menos dañino para el medio ambiente y está presente en mayor cantidad.

Los científicos de la Universidad de Hanyang en Corea del Sur diseñaron recientemente un nuevo tipo de celda de zinc-aire que podría superar a otras tecnologías de baterías disponibles en el mercado. Estas células de la bolsa, que se muestran en artículo publicado en La energía de la naturaleza, use fosfosulfuro de cobre (101) -faceta [CPS(101)] como cátodo, biocelulosas de quitosano anticongelantes como electrolitos conductores de superión y zinc modelado como ánodo.

“Las ZAB anteriores que usaban electrolitos líquidos (KOH 6 M) han fallado debido a la lenta cinética de las reacciones de reducción y evolución de oxígeno (ORR / OER) y la irreversibilidad del Zn que acompaña a las reacciones parasitarias a temperaturas amplias”, Jung-Ho Lee, uno de los Los investigadores que realizaron el estudio dijeron Tech Xplore. “Esta característica nos inspiró a desarrollar electrolitos de estado sólido, como la biocelulosa funcionalizada, capaz de transportar OH iones de manera eficiente sin reacciones parasitarias. “

El electrolito basado en FBN desarrollado por Lee y sus colegas en su trabajo anterior mostró una alta conductividad iónica de 64 mS cm.-1 a temperatura ambiente. Sin embargo, los científicos descubrieron que no funciona en temperaturas bajo cero y altas debido a problemas con la congelación del agua y la expansión del volumen.

En su nuevo artículo, los científicos sugirieron el uso de quitosano-celulosa bacteriana (CBC) como un electrolito de estado sólido de intercambio aniónico. Estos materiales consisten esencialmente en biocelulosa y quitosano seguidos por reticulación de 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO) y 1,4-diazabiciclo[2.2.2]enlaces cuaternarios de octano (DBO).

“Los dos procesos clave que usamos (oxidación TEMPO y cuaternización DBO) mejoraron significativamente las propiedades anticongelantes de las baterías, así como su resistencia al hinchamiento, compatibilidad de reticulación y capacidad de reconocimiento de iones”, dijo Lee. “El agua también existe y se mueve dentro del CBC, pero su forma es agua molecular, no agua líquida. Como resultado, pudimos obtener un excelente rendimiento de la batería y una buena estabilidad incluso a -20 ° C “.

Los electrolitos de membrana a base de CBC fabricados por Lee y sus colegas se sometieron a intercambio iónico utilizando una mezcla de soluciones de hidróxido. Por lo tanto, exhibieron un pH más bajo que los electrolitos alcalinos más convencionales. La nanofibra CPS (101) preparada por científicos fue sintetizada especialmente para su uso en células de bolsa.

“Dado que la relación estequiométrica óptima de CPS (101) es C: P: S = 1: 0,5: 0,5, cambiar la relación estequiométrica tiene un impacto crítico en los parámetros electroquímicos durante la operación de la celda”, dijo Lee. “Los aniones de fósforo y azufre, acoplados espacialmente con la misma coordinación (el mismo número de enlaces Cu-S y Cu-P) con los cationes de cobre, retuvieron estructuras ordenadas de corto y largo alcance bastante estables durante los ciclos posteriores”.

Los científicos están creando nuevas células de saco de aire y zinc

Fuente: Shinde et al.

Mientras que la celda de bolsa de Zn-aire producida por científicos funcionaba si la membrana de FBN no podía formar una interfase de electrolitos sólidos (SEI), el CBC produjo una capa de SEI sólida, lo que condujo a un mejor ciclo de vida. Además, los CBC protegieron la superficie del ánodo contra la corrosión y las reacciones secundarias. Esto puede favorecer tiempos de ciclo más largos en comparación con las baterías con agua u otros electrolitos sólidos.

“Excelente conductividad registrada a temperatura ambiente (86,7 mS cm-1) es el valor más alto de conductores de hidróxido superiónico hasta la fecha, que es el doble que el del A201 comercial “, dijo Lee.” Espesor 5 µm, 900 cm2El diafragma de CBC se puede fundir fácilmente con una resistencia mecánica excepcional incluso a bajas temperaturas de -20 ° C acerca deC en un ambiente seco, mientras que FBN, A201 o polisulfona se descomponen fácilmente en pequeños fragmentos. “

El requisito general para las baterías de próxima generación es una densidad de energía al nivel del paquete de celdas de > 300 Wh kg−1, $ 75 kWh−1, Capacidad de carga rápida de 15 min (80% de carga o más) y operativo en un amplio rango de temperaturas. Para cumplir con estos requisitos, los diseñadores de baterías deben superar una serie de limitaciones al tiempo que se aseguran de que las baterías sean seguras, electroquímica / mecánicamente estables, construidas con materiales abundantes en la Tierra, fáciles de reciclar y que funcionen bien en un amplio rango de temperaturas. .

Desarrolladas en el pasado, las ZAB lograron densidades de energía muy bajas a nivel celular, típicamente la celda-1 a una densidad de corriente baja de -2 y solo funciona a temperatura ambiente. Estas densidades de energía son significativamente más bajas que las que se consideran adecuadas para la comercialización de baterías de próxima generación.

“La mayoría de los informes de celdas de Zn-aire probablemente siguen ciclos superficiales de 5-10% de profundidad de descarga (DOD), que no es capaz de competir con las baterías de iones de litio”, dijo Lee. “Aunque en varios informes anteriores se mantuvo la energía superficial requerida de 35 mWh cmgeo-2su ciclo de vida y DOD se limitaron a menos de 100 ciclos y DOD 5-10%, respectivamente. Para obtener una energía específica de 120 Wh kg, es necesario un mínimo de 20% DODcélula-1sin embargo, ninguno de los trabajos anteriores siguió estos estándares mínimos requeridos para las baterías comerciales.

En su artículo, Lee y sus colegas presentaron celdas flexibles de zinc-aire de 1 amperio-hora (Ah) que podrían ser comercialmente viables ya que exhiben una densidad de energía muy alta a nivel de celda (460 Wh kgcélula−1 y 1389 Wh l-1) en un amplio rango de temperatura (-20 a 80 ° C) acerca deC), 5-200mA cm de gran capacidad-2 más de 6000 ciclos para 20% DOD y 1100 ciclos para 70% DOD. Estas celdas de bolsillo son superiores a muchas baterías de iones de litio disponibles comercialmente y otras baterías de uso común.

“Nuestras celdas de bolsillo mostraron la densidad de energía más alta a nivel celular de 523 ± 15 Wh kgcélula-1 (densidad de energía volumétrica ~ 1609 ± 35 Wh l-1) durante 350 ciclos con 70% DOD a una densidad de corriente de 25 mA cm-2 optimizando los parámetros de la celda “, dijo Lee.” También demostramos que la densidad de energía volumétrica podría aumentarse aún más a ~ 1800 Wh L-1 a ~ 20 Ah de capacidad de celda mediante el uso de tecnología de apilamiento bipolar (aumentando el número de apilamientos). Estos valores dan un rango de ~ 800-900 millas por carga, 100% de capacidad de recarga en 15 minutos y una vida útil de ~ 1 millón de millas ”.

Después de más pruebas, las nuevas celdas de zinc-aire podrían producirse a gran escala. Según Lee y sus colegas, también se pueden usar potencialmente para impulsar drones, vehículos eléctricos o aviones eléctricos de corto recorrido.

“Ahora estamos simplificando las fórmulas de síntesis de CPS (cátodo de aire) y CBC (electrolito sólido) para aumentar la producción”, agregó Lee. “Aunque nuestras ZAB normalmente operan a temperaturas que oscilan entre -20 y 80 acerca deC, también estamos intentando ampliar el rango de temperatura de funcionamiento. Además, consideraremos el uso de aluminio en lugar de zinc para evaluar el potencial de una batería de aire de aluminio ”.


La interfase fluorada refuerza la batería de agua y zinc.

Más información:
Celdas de zinc-aire en la escala de amperios-hora. La energía de la naturaleza(2021). DOI: 10.1038 / s41560-021-00807-8. www.nature.com/articles/s41560-021-00807-8

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