Las baterías de zinc-aire (ZAB) se encuentran entre las tecnologías de baterías de próxima generación más prometedoras debido a sus muchas características ventajosas. En particular, estas baterías tienen estructuras semiabiertas únicas, una densidad de energía teórica significativa (1,086 y 1,370 Wh kg-1 cuando se incluye y excluye oxígeno, respectivamente), electrodos flexibles y un electrolito inherentemente acuoso. Además, a diferencia de otros materiales utilizados en las baterías, el zinc (Zn) es menos dañino para el medio ambiente y más abundante.
Investigadores de la Universidad de Hanyang en Corea del Sur diseñaron recientemente un nuevo tipo de celda de bolsa de zinc-aire que puede superar a otras tecnologías de baterías disponibles comercialmente. Estas células de la bolsa, presentadas en un artículo publicado en naturaleza de la Energía, use fosfosulfato de cobre de faceta (101) [CPS (101)] como cátodo, quitosano-biocelulósicos anticongelantes como electrolitos conductores superiónicos y Zn con patrón como ánodo.
"Las ZAB anteriores que empleaban electrolitos líquidos (KOH 6 M) fallaron debido a la lenta cinética de las reacciones de reducción y evolución de oxígeno (ORR / OER) y la irreversibilidad del Zn que acompañaba a las reacciones parasitarias a temperaturas amplias", Jung-Ho Lee, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio. “Esta característica nos inspiró a desarrollar electrolitos de estado sólido, como la biocelulosa funcionalizada, capaces de transferir OH– iones de forma eficaz sin reacciones parasitarias ".
El electrolito basado en FBN creado por Lee y sus colegas en su trabajo anterior exhibió una alta conductividad iónica de 64 mS cm.-1 a temperatura ambiente. Sin embargo, los investigadores encontraron que no funcionaba a temperaturas bajo cero y altas, debido a problemas asociados con la congelación del agua y la expansión del volumen.
En su nuevo artículo, los investigadores sugirieron el uso de quitosano-bacteriano-celulósico (CBC) como electrolitos de estado sólido de intercambio aniónico. Estos materiales consisten esencialmente en biocelulosa y quitosano, seguidos de la reticulación de enlaces cuaternarios 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxilo (TEMPO) y 1,4-diazabiciclo [2.2.2] octano (DBO).
“Los dos procesos clave que usamos (oxidación TEMPO y cuaternización DBO) mejoraron significativamente las características anticongelantes de las baterías, así como su resistencia al hinchamiento, compatibilidad para la reticulación y propiedad de discernimiento de iones”, dijo Lee. “El agua también existe y se transfiere dentro de los CBC, pero su forma es agua molecular, no agua líquida. Como resultado, pudimos obtener un rendimiento superior 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 tanto, mostraron un pH más bajo que los electrolitos alcalinos más convencionales. El CPS nano-fibroso (101) preparado por los investigadores fue sintetizado específicamente para aplicaciones de células de bolsa.
“Dado que la relación estequiométrica óptima de CPS (101) es C: P: S = 1: 0.5: 0.5, la variación de la relación estequiométrica influye de manera crítica en el rendimiento electroquímico durante las operaciones de la celda”, dijo Lee. “Los aniones de fósforo y azufre conjugados espacialmente con la misma coordinación (la misma cantidad de enlaces Cu-S y Cu-P) a los cationes de cobre conservaron estructuras de orden de corto y largo alcance bastante estables durante los ciclos posteriores”.
Mientras la celda de bolsa de Zn-aire fabricada por los investigadores estaba funcionando, si la membrana FBN no podía formar la interfase de electrolitos sólidos (SEI), los CBC generaban una capa SEI robusta, lo que conducía a un ciclo de vida superior. Además, los CBC protegieron la superficie del ánodo de la corrosión y las reacciones secundarias. Esto podría promover ciclos más largos en comparación con los logrados por baterías con electrolitos acuosos u otros electrolitos de estado sólido.
“La conductividad superior registrada a temperatura ambiente (86.7 mS cm-1) es el valor máximo informado hasta la fecha para los conductores de superión de hidróxido, que es el doble que el del A201 comercial ”, dijo Lee. "Un grosor de 5 µm, 900 cm2-La membrana CBC de tamaño se puede fundir simplemente con una robustez mecánica excepcional incluso a una temperatura fría de -20 oC en ambiente seco, mientras que FBN, A201 o polisulfona se degradan fácilmente en pequeños fragmentos ".
Los requisitos generales para las baterías de próxima generación son una densidad de energía a nivel de paquete de celdas de> 300 Wh kg-1, US $ 75 kWh-1, una capacidad de carga rápida en 15 minutos (al menos un 80% de carga) y la capacidad de funcionar en una amplia gama de temperaturas. Para cumplir con estos requisitos, los diseñadores de baterías deben superar una serie de limitaciones, al mismo tiempo que se aseguran de que las baterías sean seguras, electroquímica / mecánicamente estables, construidas con materiales que abundan en la Tierra y fáciles de reciclar, y que funcionen bien en una amplia gama de temperaturas. .
Los ZAB desarrollados en el pasado lograron densidades de energía muy bajas a nivel celular, típicamente de <40 Wh kg (SCD por sus siglas en inglés),-1 a una densidad de corriente baja de <1 mA cm-2 y solo operando a temperatura ambiente. Estas densidades de energía son significativamente más bajas que las que se consideran apropiadas para la comercialización de una batería de próxima generación.
“Es probable que la mayoría de las celdas de Zn-aire reportadas sigan ciclos poco profundos de 5-10% de profundidad de descarga (DOD), lo que es incapaz de lograr la energía de celda competitiva de las baterías de iones de litio”, dijo Lee. “A pesar de que pocos informes anteriores retuvieron la energía de área requerida de 35 mWh cmgeo-2, su ciclo de vida y DOD se restringieron a menos de 100 ciclos y DOD de 5-10%, respectivamente. Es necesario al menos un 20% de DOD para obtener una energía específica de 120 Wh kg(SCD por sus siglas en inglés),-1, sin embargo, ningún trabajo previo siguió estos estándares mínimos requeridos para las baterías comerciales ”.
En su artículo, Lee y sus colegas introdujeron celdas de bolsa de zinc-aire flexibles de un amperio-hora (Ah) que podrían ser comercialmente viables, ya que exhiben densidades de energía a nivel celular ultraaltas (460 Wh kg(SCD por sus siglas en inglés),-1 y 1389 Wh l-1) en un amplio rango de temperaturas (-20 a 80 oC), con una capacidad de alta velocidad de 5-200 mA cm-2 más de 6000 ciclos para 20% DOD y 1100 ciclos para 70% DOD. Estas celdas de bolsa superan a muchas baterías de iones de litio disponibles comercialmente y otras baterías de uso común.
“Nuestras celdas de bolsa mostraron la densidad de energía a nivel celular más alta de 523 ± 15 Wh kg(SCD por sus siglas en inglés),-1 (densidad de energía volumétrica de ~ 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 incrementarse aún más a ~ 1800 Wh L-1 con una capacidad de celda de bolsa de ~20 Ah mediante la aplicación de un apilamiento bipolar la tecnología (aumentando el número de pilas). Estos valores permiten una autonomía de conducción de ~800-900 millas por carga, una capacidad de carga del 100% en 15 minutos y una durabilidad de kilometraje de ~1 millón de millas”.
Después de que se prueben más, las nuevas celdas de bolsa de zinc-aire podrían producirse a gran escala. Según Lee y sus colegas, también podrían usarse para impulsar drones, vehículos eléctricos o aviones eléctricos de corta distancia.
"Ahora estamos simplificando las recetas de síntesis de CPS (cátodo de aire) y CBC (electrolito sólido) para una ampliación digna de producción", agregó Lee. “Aunque nuestras ZAB normalmente operan entre -20 y 80 oC, también intentamos ampliar el rango de temperatura de funcionamiento. Además, consideraremos el uso de aluminio en lugar de zinc, para evaluar el potencial de un aluminio-aire. agresión con lesiones."