una imagen SEM. La barra de escala:10 μm. b Patrón XRD. c Imagen AFM. d Imagen HRTEM de Zn3Mn vista a lo largo de la dirección [001]. La barra de escala:10 nm. mi, f Imagen HAADF-STEM y la estructura cristalina atómica correspondiente. Las barras de escala:2 nm. Las bolas de color púrpura en el modelo de estructura cristalina representan los átomos de Zn / Mn co-ocupados. g La estructura atómica y el panorama energético del átomo de superficie de Zn3Mn. h Ilustración esquemática de los procesos de recubrimiento de Zn en el ánodo de Zn (arriba) y el ánodo de Zn-Mn (abajo). Desde:Estable, alto rendimiento, sin dendrita, baterías acuosas a base de agua de mar
Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Oregón han desarrollado un ánodo de batería basado en una nueva aleación nanoestructurada que podría revolucionar la forma en que se diseñan y fabrican los dispositivos de almacenamiento de energía.
La aleación a base de zinc y manganeso abre aún más la puerta para reemplazar los solventes que se usan comúnmente en los electrolitos de las baterías por algo mucho más seguro y económico. además de abundante:agua de mar.
Los resultados se publicaron en Comunicaciones de la naturaleza .
"Las necesidades energéticas del mundo están aumentando, pero el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía electroquímica de próxima generación con alta densidad energética y ciclo de vida prolongado sigue siendo un desafío técnico, "dijo Zhenxing Feng, investigador de ingeniería química en OSU. "Baterías acuosas, que utilizan soluciones conductoras a base de agua como electrolitos, son una alternativa emergente y mucho más segura que las baterías de iones de litio. Pero la densidad de energía de los sistemas acuosos ha sido comparativamente baja, y además el agua reaccionará con el litio, lo que ha obstaculizado aún más el uso generalizado de las baterías acuosas ".
Una batería almacena energía en forma de energía química y, a través de reacciones, la convierte en la energía eléctrica necesaria para impulsar los vehículos. celulares, computadoras portátiles y muchos otros dispositivos y máquinas. Una batería consta de dos terminales:el ánodo y el cátodo, típicamente hechos de diferentes materiales, así como un separador y electrolito, un medio químico que permite el flujo de carga eléctrica.
En una batería de iones de litio, como sugiere su nombre, una carga se transporta a través de iones de litio a medida que se mueven a través del electrolito desde el ánodo hasta el cátodo durante la descarga, y viceversa durante la recarga.
"Los electrolitos de las baterías de iones de litio se disuelven comúnmente en disolventes orgánicos, que son inflamables y a menudo se descomponen a altos voltajes de operación, "Dijo Feng." Por lo tanto, obviamente hay preocupaciones de seguridad, incluso con crecimiento de dendrita de litio en la interfaz electrodo-electrolito; que puede causar un corto entre los electrodos ".
Las dendritas se asemejan a árboles diminutos que crecen dentro de una batería de iones de litio y pueden perforar el separador como cardos que crecen a través de las grietas de un camino de entrada; el resultado son reacciones químicas no deseadas y, a veces, peligrosas.
Los incidentes de combustión que involucran baterías de iones de litio en los últimos años incluyen un incendio en un avión Boeing 787 estacionado en 2013, explosiones en los teléfonos inteligentes Galaxy Note 7 en 2016 y los incendios de Tesla Model S en 2019.
Las baterías acuosas son una alternativa prometedora para el almacenamiento de energía seguro y escalable, Dijo Feng. Los electrolitos acuosos son rentables, ambientalmente benigno, capaz de carga rápida y densidades de alta potencia y muy tolerante al mal manejo.
Su uso a gran escala, sin embargo, se ha visto obstaculizado por un voltaje de salida limitado y una baja densidad de energía (las baterías con una densidad de energía más alta pueden almacenar mayores cantidades de energía, mientras que las baterías con una densidad de potencia más alta pueden liberar grandes cantidades de energía más rápidamente).
Pero los investigadores del estado de Oregon, la Universidad de Florida Central y la Universidad de Houston han diseñado un ánodo compuesto de una "aleación de zinc-M" tridimensional como el ánodo de la batería, donde M se refiere al manganeso y otros metales.
"El uso de la aleación con su nanoestructura especial no solo suprime la formación de dendrita al controlar la termodinámica de la reacción de la superficie y la cinética de la reacción, también demuestra una estabilidad súper alta durante miles de ciclos en condiciones electroquímicas severas, "Dijo Feng." El uso de zinc puede transferir el doble de cargas que el litio, mejorando así la densidad de energía de la batería.
Un ventilador eléctrico (arriba a la izquierda) funciona con la batería de zinc propuesta; perfiles típicos de carga / descarga de ZIB a 0,5 ° C (arriba a la derecha); configuración del microscopio in situ para obtener imágenes de la dinámica de la deposición de zinc (abajo a la izquierda); y el cambio de morfología causado por la deposición de zinc (abajo a la derecha). Crédito:Universidad de Houston
"También probamos nuestra batería acuosa con agua de mar, en lugar de agua desionizada de alta pureza, como el electrolito, ", agregó." Nuestro trabajo muestra el potencial comercial para la fabricación a gran escala de estas baterías ".
Feng y Ph.D. El estudiante Maoyu Wang utilizó espectroscopía de absorción de rayos X e imágenes para rastrear los cambios atómicos y químicos del ánodo en diferentes etapas de operación. lo que confirmó cómo funcionaba la aleación 3-D en la batería.
"Nuestros estudios teóricos y experimentales demostraron que el ánodo de aleación 3-D tiene una estabilidad interfacial sin precedentes, logrado por un canal de difusión favorable de zinc en la superficie de la aleación, "Dijo Feng." El concepto demostrado en este trabajo colaborativo probablemente traerá un cambio de paradigma en el diseño de ánodos de aleación de alto rendimiento para baterías acuosas y no acuosas, revolucionando la industria de las baterías ".
