Debido a su bajo costo y su respeto por el medio ambiente, las baterías acuosas de zinc tienen el potencial de desempeñar un papel importante en los futuros sistemas de almacenamiento de energía para aplicaciones como las redes eléctricas. Sin embargo, un problema de seguridad ha frenado el progreso de esta tecnología emergente.

En un estudio del 28 de julio publicado en Nano Research , los investigadores chinos presentaron una solución que consiste en modificar químicamente el azúcar de mesa común para estabilizar el entorno de iones de zinc y garantizar futuras aplicaciones.

Desde automóviles eléctricos hasta sistemas de energía eólica y solar, una gama cada vez más diversa de aplicaciones que consumen mucha energía continúa aumentando la demanda de almacenamiento de energía a gran escala y de bajo costo. Las baterías acuosas de zinc (Zn) ascendieron rápidamente a la cima como una de las opciones más prometedoras para satisfacer la demanda de manera sostenible, según el estudio.

"Son de alta seguridad y rentables en comparación con las baterías de iones de litio actuales con electrolitos orgánicos inflamables", dijo el autor del artículo Meinan Liu, profesor asociado de nanotecnología y nanobiónica en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. "Además, el ánodo de Zn presenta una capacidad teórica súper alta, lo que hace que estas baterías de Zn sean aún más prometedoras para aplicaciones como el futuro almacenamiento de energía en la red".

Sin embargo, cuando el ion zinc (Zn ²⁺ ) la concentración en la superficie del ánodo cae a cero, las dendritas comienzan a crecer. El crecimiento descontrolado de dendritas de Zn deteriora el rendimiento electroquímico y representa una grave amenaza para el funcionamiento seguro.

"Estas dendritas pueden penetrar el separador y provocar un cortocircuito en la batería", dijo Liu.

Estudios anteriores han demostrado que ajustar el entorno del solvente (llamado "estructura de solvatación") puede aumentar la movilidad de Zn ²⁺ en respuesta al campo eléctrico suprime con éxito el crecimiento de las dendritas. El problema fue que estos ajustes previos, como la introducción de otras sales o la inclusión de menos moléculas de agua, también terminaron disminuyendo la conductividad iónica del sistema.

Había una brecha de comprensión fundamental entre Zn ²⁺ estructura de solvatación y su movilidad, explicada por Liu. Este fue un factor clave que afectó el crecimiento de las dendritas y la estabilidad del ánodo de Zn.

En un intento por cerrar esta brecha, un equipo de investigación colaborativo de varias instituciones chinas probó una nueva táctica:introducir azúcar de mesa común con múltiples grupos hidroxilo (un hidrógeno y un oxígeno unidos) en el electrolito para ajustar la estructura de solvatación de Zn ^{2 +} .

Mediante la realización de simulaciones y experimentos atomísticos, el equipo de investigación confirmó que las moléculas de sacarosa mejoraron la movilidad y detuvieron el crecimiento de las dendritas sin comprometer la estabilidad. De hecho, este método también proporcionó beneficios inesperados:

"Los resultados confirman que las moléculas de sacarosa en la vaina de solvatación no solo mejoran la movilidad, sino que también garantizan una rápida Zn ²⁺ cinética, sino que también protege el ánodo de Zn de la corrosión del agua y logra con éxito la deposición libre de dendritas de Zn y la supresión de reacciones secundarias", dijo Liu.

Esto demuestra el gran potencial del uso de esta simple modificación de sacarosa para futuras baterías de zinc de alto rendimiento y acerca el campo de investigación un paso más hacia el objetivo final de lograr una batería de Zn segura, ecológica y de alto rendimiento.

"Con suerte, esta batería de Zn segura y de bajo costo podría aplicarse en el almacenamiento de energía de la red", dijo Liu.

Esta técnica también se presta a variaciones y modificaciones adicionales:las celdas de Zn-carbono brindan una mayor densidad de energía y una estabilidad mejorada, lo que sugiere una gran aplicación potencial de electrolitos modificados con sacarosa para futuras baterías de Zn.

En estudios futuros, los investigadores también considerarán posibles casos de uso y obstáculos para las baterías acuosas de zinc, específicamente cómo podrían manejar temperaturas extremas.

"El electrolito acuoso de la batería de Zn se congelará a baja temperatura, por lo que estamos investigando cómo abordar la influencia de la temperatura en el rendimiento de la batería", dijo Liu. + Explora más

Científicos desarrollan baterías acuosas a base de zinc resistentes a bajas temperaturas