As baterias de zinco-ar (ZABs) estão entre as tecnologias de bateria de próxima geração mais promissoras devido às suas muitas características vantajosas. Mais notavelmente, essas baterias têm estruturas semiabertas exclusivas, uma densidade de energia teórica significativa (1,086 e 1,370 Wh kg-1 ao incluir e excluir oxigênio, respectivamente), eletrodos flexíveis e um eletrólito inerentemente aquoso. Além disso, ao contrário de outros materiais usados em baterias, o Zinco (Zn) é menos prejudicial ao meio ambiente e mais abundante.
Pesquisadores da Universidade Hanyang na Coréia do Sul desenvolveram recentemente um novo tipo de célula de zinco-ar que pode superar outras tecnologias de bateria disponíveis no mercado. Estas células bolsa, apresentadas em um artigo publicado em natureza Energia, usam fosfossulfato de cobre (101) -facet [CPS (101)] como um cátodo, anticongelante quitosana-biocelulósica como eletrólitos condutores superiônicos e Zn padronizado como o ânodo.
"Os ZABs anteriores que empregavam eletrólitos líquidos (6 M KOH) falharam por causa da cinética lenta para as reações de redução e evolução de oxigênio (ORR / OER) e irreversibilidade do Zn que acompanha as reações parasitárias em altas temperaturas", Jung-Ho Lee, um dos pesquisadores que realizaram o estudo. “Esse recurso nos inspirou a desenvolver eletrólitos de estado sólido, como a biocelulose funcionalizada, capaz de transferir OH- íons efetivamente sem reações parasitárias. ”
O eletrólito à base de FBN criado por Lee e seus colegas em seu trabalho anterior exibiu uma alta condutividade iônica de 64 mS cm-1 à temperatura ambiente. No entanto, os pesquisadores descobriram que ele não funcionava em temperaturas abaixo de zero e altas, devido a problemas associados ao congelamento da água e expansão de volume.
Em seu novo artigo, os pesquisadores sugeriram o uso de quitosana-celulose bacteriana (CBCs) como eletrólitos de estado sólido de troca aniônica. Estes materiais consistem essencialmente em bio-celulose e quitosana, seguido por reticulação de ligações quaternárias 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxil (TEMPO) e 1,4-diazabiciclo [2.2.2] octano (DBO).
“Os dois processos-chave que usamos (oxidação TEMPO e quaternização DBO) melhoraram significativamente as características anticongelamento das baterias, bem como sua resistência ao inchaço, compatibilidade para reticulação e propriedade de discernimento de íons”, disse Lee. “A água também existe e se transfere dentro dos CBCs, mas sua forma é água molecular, não água líquida. Como resultado, podemos obter desempenho superior da bateria e boa estabilidade, mesmo a -20 ° C. ”
Os eletrólitos de membrana baseados em CBC fabricados por Lee e seus colegas foram trocados por íons usando uma mistura de soluções de hidróxido. Eles, portanto, apresentaram um pH mais baixo do que eletrólitos alcalinos convencionais. O CPS nano-fibroso (101) preparado pelos pesquisadores foi sintetizado especificamente para aplicações em células em bolsas.
“Uma vez que a proporção estequiométrica ideal de CPS (101) é C: P: S = 1: 0.5: 0.5, a variação da proporção estequiométrica está influenciando criticamente o desempenho eletroquímico durante as operações de célula”, disse Lee. “Ânions de fósforo e enxofre espacialmente conjugados com coordenação igual (mesma quantidade de ligações Cu-S e Cu-P) para cátions de cobre preservados estruturas de ordem de curto e longo alcance razoavelmente estáveis durante os ciclos subsequentes.”
Enquanto a célula bolsa de Zn-air fabricada pelos pesquisadores estava operando, se a membrana FBN era incapaz de formar a interfase de eletrólito sólido (SEI), os CBCs geravam uma camada SEI robusta, que conduzia a um ciclo de vida superior. Além disso, os CBCs protegeram a superfície do ânodo da corrosão e de reações colaterais. Isso poderia promover ciclos mais longos em comparação com aqueles alcançados por baterias com eletrólitos aquosos ou outros eletrólitos de estado sólido.
“A condutividade superior registrada em temperatura ambiente (86.7 mS cm-1) é o valor campeão relatado até agora para condutores de superion de hidróxido, que é duas vezes maior que o do A201 comercial ”, disse Lee. “Um 5 µm de espessura, 900 cm2Membrana de CBCs de tamanho reduzido pode ser simplesmente fundida com robustez mecânica excepcional, mesmo em uma temperatura fria de -20 oC em ambiente seco, enquanto FBN, A201 ou polissulfona se degrada prontamente em pequenos fragmentos. ”
Os requisitos gerais para baterias de próxima geração são uma densidade de energia no nível do pacote de células de> 300 Wh kg-1, US $ 75 kWh-1, uma capacidade de carregamento rápido em 15 min (pelo menos 80% de carga) e a capacidade de operar em uma ampla gama de temperaturas. Para atender a esses requisitos, os projetistas de baterias devem superar uma série de limitações e, ao mesmo tempo, garantir que as baterias sejam seguras, eletroquimicamente / mecanicamente estáveis, construídas com materiais abundantes na Terra e fáceis de reciclar e funcionando bem em uma ampla faixa de temperaturas .
ZABs desenvolvidos no passado alcançaram densidades de energia muito baixas em nível de célula, tipicamente <40 Wh kg célula-1 a uma densidade de corrente baixa de <1 mA cm-2 e operando apenas em temperatura ambiente. Essas densidades de energia são significativamente menores do que aquelas consideradas adequadas para a comercialização de uma bateria de próxima geração.
“A maioria das células de Zn-ar relatadas provavelmente seguem ciclos rasos de 5-10% de profundidade de descarga (DOD), que é incapaz de atingir a energia de célula competitiva para as baterias de íon-lítio”, disse Lee. “Embora poucos relatórios anteriores tenham retido a energia de área necessária de 35 mWh cmgeo-2, seu ciclo de vida e DOD foram restritos a menos de 100 ciclos e DOD de 5-10%, respectivamente. É necessário pelo menos 20% DOD para obter energia específica de 120 Wh kgcélula-1, no entanto, nenhum trabalho anterior seguiu esses padrões mínimos exigidos para baterias comerciais. ”
Em seu artigo, Lee e seus colegas introduziram células de zinco-ar flexíveis de um ampere-hora (Ah) que poderiam ser comercialmente viáveis, pois exibem densidades de energia de nível de célula ultra-altas (460 Wh kgcélula-1 e 1389 Wh l-1) em uma ampla faixa de temperaturas (-20 a 80 oC), com uma capacidade de alta taxa de 5-200 mA cm-2 mais de 6000 ciclos para 20% DOD e 1100 ciclos para 70% DOD. Essas células em bolsa superam muitas baterias de íon de lítio disponíveis no mercado e outras baterias comumente usadas.
“Nossas células de bolsa mostraram a maior densidade de energia em nível de célula de 523 ± 15 Wh kgcélula-1 (densidade de energia volumétrica de ~ 1609 ± 35 Wh l-1) por 350 ciclos com 70% DOD em uma densidade de corrente de 25 mA cm-2 otimizando os parâmetros da célula ”, disse Lee. “Também mostramos que a densidade de energia volumétrica poderia ser aumentada para ~ 1800 Wh L-1 com capacidade de célula de bolsa de ~ 20 Ah aplicando um empilhamento bipolar tecnologia (aumentando o número de pilhas). Esses valores permitem uma autonomia de aproximadamente 800-900 milhas por carga, 100% da capacidade de carregamento em 15 minutos e uma durabilidade de quilometragem de aproximadamente 1 milhão de milhas.”
Depois de serem testadas, as novas células em bolsa de zinco-ar podem ser produzidas em grande escala. De acordo com Lee e seus colegas, eles também poderiam ser usados para alimentar drones, veículos elétricos ou aeronaves elétricas de curta distância.
“Agora estamos simplificando as receitas de síntese para CPS (catodo de ar) e CBCs (eletrólito sólido) para aumento de escala digno de produção”, acrescentou Lee. “Embora nossos ZABs normalmente operem em -20 a 80 oC, também tentamos ampliar a faixa de temperatura de operação. Além disso, consideraremos o uso de alumínio em vez de zinco, para avaliar o potencial de um alumínio-ar bateria. "