Estableciendo nuevamente a la Universidad de Maryland (UMD) como líder en el desarrollo de tecnología de baterías innovadora, un equipo dirigido por investigadores de la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la UMD ha creado una batería de zinc a base de agua que es simultáneamente poderosa, recargable e intrínsecamente seguro. Un artículo revisado por pares basado en la investigación se publicó el 16 de abril en la revista de alto impacto. Materiales de la naturaleza .

Junto con colegas del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Los ingenieros de la UMD combinaron la tecnología de baterías antiguas (zinc metálico) con las nuevas (electrolitos de agua en sal). Sobre la base de los avances anteriores de UMD para crear baterías más seguras utilizando un nuevo electrolito acuoso en lugar del electrolito orgánico inflamable utilizado en las baterías de iones de litio convencionales, Los investigadores aumentaron la energía de la batería acuosa agregando zinc metálico, utilizado como ánodo de la primera batería, y también su sal al electrolito.

"Las baterías a base de agua podrían ser cruciales para prevenir incendios en la electrónica, pero su capacidad y almacenamiento de energía han sido limitados, hasta ahora. Por primera vez, tenemos una batería que podría competir con las baterías de iones de litio en densidad de energía, pero sin riesgo de explosión o incendio, "dice Fei Wang, un asociado postdoctoral designado conjuntamente en la Escuela Clark de UMD y ARL, y primer autor del artículo.

Los investigadores dicen que la nueva batería de zinc acuoso podría eventualmente usarse no solo en electrónica de consumo, pero también en condiciones extremas para mejorar el rendimiento de vehículos críticos para la seguridad, como los que se utilizan en la industria aeroespacial, militar, y ambientes de aguas profundas.

Como ejemplo de la potencia y seguridad de la batería de zinc acuoso, Fei Wang cita los numerosos incidentes de incendios de baterías en teléfonos celulares, laptops, y automóviles eléctricos destacados en la cobertura reciente de los medios. La nueva batería de zinc acuoso que se presenta en este trabajo podría ser la respuesta a la exigencia de una química segura de la batería al tiempo que mantiene las densidades de energía comparables o incluso más altas de las baterías de iones de litio convencionales.

Esta batería de zinc acuosa altamente concentrada también supera otras desventajas de las baterías de zinc convencionales, como la capacidad de soportar solo ciclos de recarga limitados, crecimiento de dendrita (estructuras de cristales en forma de árbol) durante el uso y la recarga, y consumo sostenido de agua, resultando en la necesidad de reponer regularmente el electrolito de las baterías con agua.

"Las baterías de zinc existentes son seguras y relativamente económicas de producir, pero no son perfectos debido a su ciclo de vida deficiente y su baja densidad energética. Superamos estos desafíos mediante el uso de un electrolito de agua en sal, "dice Chunsheng Wang, Catedrático de ingeniería química y biomolecular de la UMD y autor correspondiente del artículo.

Más lejos, en este esfuerzo colaborativo, los investigadores identificaron la razón fundamental que causa la irreversibilidad en las baterías de zinc, un fenómeno observado en el uso de baterías recargables donde la cantidad de carga que una batería puede entregar al voltaje nominal disminuye con el uso, y encontraron una solución novedosa. El secreto era alterar la estructura de la esfera de solvatación del catión zinc (iones cargados positivamente).

"Debido a que la mayoría de las moléculas de agua en el nuevo electrolito están fuertemente unidas por la sal altamente concentrada, el agua en el electrolito de la batería de zinc acuoso no se evaporará en una celda abierta. Este avance revoluciona las baterías de zinc-aire, que funcionan oxidando zinc con oxígeno del aire, como los que se utilizan en el almacenamiento de la red de energía, "agrega Chunsheng Wang.

El equipo de investigación dice que este avance en la tecnología de la batería sienta las bases para futuras investigaciones, y tienen la esperanza de una posible comercialización futura.

"Las baterías de zinc proporcionarían un medio poderoso y económico de almacenamiento de energía si pudieran ser recargables. Esta investigación descubrió formas de controlar qué moléculas en el electrolito rodean los iones que se mueven hacia adelante y hacia atrás en una batería cuando se almacena y libera energía. Aquí, los coautores aplicaron este conocimiento para hacer una batería de zinc altamente recargable que podría ofrecer un bajo costo, alternativa segura para la electrónica de consumo, carros, y almacenamiento de la red eléctrica, "dice Joseph Dura, físico del NIST y coautor del artículo.

"El importante descubrimiento realizado en este trabajo ha tocado el problema central de las baterías acuosas de zinc, y podría afectar a otras químicas de cationes multivalentes acuosos o no acuosos que enfrentan desafíos similares, como baterías de magnesio y aluminio, "dice Kang Xu, Becario de ARL y coautor correspondiente de este artículo.