Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST) de Arabia Saudita dicen que han desarrollado una nueva química de batería de iones de zinc que esperan que proporcione un almacenamiento de energía a gran escala que sea más barato, más seguro y más respetuoso con el medio ambiente que las baterías de iones de litio de uso común.
La tecnología de batería dominante actualmente en uso en todo el mundo es la de iones de litio, que se utiliza en todo, desde teléfonos móviles y computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a gran escala. Sin embargo, los iones de litio dependen de varios minerales clave que pueden ser escasos o costosos, como el cobalto, el litio, el níquel y el cobre.
La búsqueda, entonces, ha comenzado para desarrollar nuevas químicas de batería que hagan uso de elementos más abundantes y que también aumenten las tasas de carga, la estabilidad, el almacenamiento y la seguridad de la batería. Y una de esas posibles sustancias químicas de la batería es el ión de zinc, que tiene el potencial de producir una mayor capacidad, menores costos y reducir la potencial toxicidad.
Otro beneficio adicional de las baterías de iones de zinc es el hecho de que muchos de los procesos de fabricación que se utilizan para las baterías de iones de litio se pueden utilizar para fabricar baterías de iones de zinc, lo que reduce la necesidad de instalaciones de fabricación independientes.
Desafortunadamente, las baterías de iones de zinc han sufrido una inestabilidad que ha generado una rápida degradación durante el uso.
Según Yunpei Zhu, científico investigador en KAUST, «cuestiones como la baja estabilidad cíclica y la autodescarga rápida han prohibido las aplicaciones prácticas de las baterías acuosas de iones de zinc».
“Ambos problemas están relacionados con el diseño de electrolitos y materiales de electrodos”, agrega Zhu . El electrolito a base de agua causa problemas en ambos electrodos de la batería, lo que da como resultado reacciones secundarias dañinas en el ánodo y una rápida disolución del cátodo.
En un esfuerzo por combatir la degradación de las baterías de iones de zinc causada por los electrolitos a base de agua, el equipo de KAUST, dirigido por Yunpei Zhu, desarrolló un electrolito de agua con una concentración de sal muy alta.
El mayor nivel de iones de sal en la solución de electrolito sirve para unir las moléculas de agua circundantes, lo que a su vez significa que hay menos moléculas de agua libres disponibles para dañar los electrodos de la batería.
Las sales a base de zinc generalmente dan como resultado una solubilidad limitada en agua, por lo que el equipo de KAUST agregó sodio para producir un electrolito altamente concentrado de perclorato de zinc y perclorato de sodio.
“Descubrimos que esta combinación ofrece una solubilidad muy alta para suprimir la actividad del agua, sin disminuir los atributos clave de las baterías de iones de zinc, incluida su alta conductividad iónica, seguridad o respeto al medio ambiente”, dijo Zhu.
Además del nuevo electrolito a base de agua, el equipo de KAUST también desarrolló un nuevo material de cátodo a base de nanofibras para baterías. “La morfología de las nanofibras mejora la difusión de iones, lo que garantiza velocidades de carga y descarga más rápidas de las baterías acuosas de iones de zinc”, dijo Husam Alshareef, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en KAUST y líder del grupo de investigación.
«Esta combinación de electrodo y electrolito resuelve potencialmente las deficiencias de las baterías de iones de zinc acuosos convencionales».
Los resultados fueron inmediatamente prometedores, ya que el equipo no observó casi ninguna disminución de la capacidad durante unos 2.000 ciclos de carga.
Según las
conclusiones del grupo de investigación en su artículo publicado en la revista
Energy & Environmental Science
titulado ‘Estrategia de electrolitos concentrados de doble catión para
baterías acuosas de iones de zinc’
muestra menor costo, mayor conductividad iónica y menor toxicidad» e
indica «estabilidad cíclica prolongada, capacidad de frecuencia mejorada y
autodescarga suprimida».
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