Las nanopartículas que contienen tres capas diferentes de material pueden ayudar a mejorar el rendimiento de una batería de zinc-aire. Los investigadores de A * STAR han encontrado.

Las baterías de zinc-aire son baratas, tienen una alta densidad de energía, y durar mucho tiempo. Su uso de un electrolito a base de agua las hace más seguras que otras baterías, por lo que a menudo se encuentran en aplicaciones médicas, como audífonos y dispositivos de monitoreo cardíaco.

El electrodo negativo de la batería contiene zinc metálico, que cede electrones cuando reacciona con iones hidróxido en el electrolito. Esos electrones generan una corriente a medida que fluyen hacia el electrodo positivo, donde reaccionan con el oxígeno del aire para producir más iones de hidróxido.

La lentitud de la reacción con el oxígeno limita la salida de voltaje de la batería y su rendimiento a alta corriente. Encontrar un catalizador para acelerar la reacción podría producir una mayor potencia y densidades de energía, abriendo una gama más amplia de aplicaciones potenciales.

Yun Zong y Zhaolin Liu del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales y sus colegas han desarrollado un catalizador de nanopartículas que podría cumplir con los requisitos. Las partículas tienen entre 20 y 50 nanómetros de diámetro, con un núcleo de cobalto revestido por una capa interior de óxido de cobalto, que está rodeado por una capa exterior de polidopamina pirolizada (PPD), una forma de carbono "salpicado" de átomos de nitrógeno. Estas nanopartículas están recubiertas de un soporte de carbono poroso que actúa como electrodo. Su estructura ayuda a evitar que lixivien el cobalto o se agrupen, y la capa exterior protectora también hace que las nanopartículas sean más duraderas.

Estas nanopartículas de tres capas transformaron eficientemente el oxígeno en hidróxido en un solo paso. El equipo sugiere que los átomos de nitrógeno en la capa de PPD ayudan a atraer y hacer que los átomos de oxígeno sean más reactivos en su camino hacia sitios catalíticamente activos en el óxido de cobalto y PPD. Mientras tanto, el núcleo de cobalto y la capa de PPD ayudan a que los electrones fluyan de manera eficiente hacia los átomos de oxígeno. A diferencia de, partículas similares que contienen solo cobalto y óxido de cobalto, o PPD solo, oxígeno transformado en un proceso de dos pasos que produce hidroperóxido, un intermedio indeseable y corrosivo.

Los investigadores probaron su electrodo en una batería de zinc-aire (ver imagen), y descubrió que podía producir una corriente de cinco miliamperios por centímetro cuadrado de electrodo a 1,36 voltios durante cinco días, superando a un electrodo que dependía de un catalizador de platino convencional.

"La siguiente etapa de esta investigación incluye la simplificación de la ruta sintética para facilitar la síntesis a gran escala de las nanopartículas, y explotación de otros sistemas catalíticos siguiendo una estrategia similar, "dice Zong.