Las baterías acuosas de zinc son alternativas prometedoras a sus primas de iones de litio, pero sufren uno de los mismos problemas: la formación de dendritas. Estas estructuras en forma de aguja se forman en la superficie del ánodo de zinc y crecen en el electrolito, lo que hace que la batería se cortocircuite o, en algunos casos, incluso se encienda. Un equipo de investigadores en China ahora ha demostrado que agregar azúcar de mesa común (sacarosa) modificada químicamente con grupos hidroxilo al electrolito puede ralentizar el crecimiento de las dendritas de zinc al cambiar el entorno del solvente. Además, la sacarosa también forma una capa protectora sobre el ánodo y frena su corrosión.
Las baterías de iones de litio son las baterías más utilizadas en la actualidad en dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos, pero los electrolitos orgánicos tóxicos e inflamables que contienen son motivo de preocupación. El litio también es caro en comparación con otros metales más comunes, y el suministro mundial es víctima de varias incertidumbres. Las baterías de zinc, que normalmente se forman con electrolitos acuosos, son un sustituto atractivo porque el zinc es más barato, menos tóxico, se recicla más fácilmente y está más disponible que el litio. También tienen una alta densidad de energía, con una alta capacidad específica (820 mAh/g y 5 855 mAh/cm3) y un potencial redox favorable (−0.76 V frente al electrodo de hidrógeno estándar) del ánodo de Zn.
El problema es que cuando el ion zinc (Zn2+) la concentración en la superficie del ánodo cae a cero, las dendritas comienzan a crecer en él. La presencia de estas estructuras hace que el rendimiento electroquímico de la batería se deteriore y puede ser peligroso si no se controla.
Modificación del entorno del disolvente
Estudios recientes han demostrado que la modificación del entorno del disolvente (o "estructura de solvatación"), por ejemplo, mediante la introducción de sales o la inclusión de menos moléculas de agua, puede aumentar la velocidad a la que el Zn2+ los iones se mueven en respuesta a un campo eléctrico y, por lo tanto, suprimen el crecimiento de las dendritas. Sin embargo, dichos ajustes lamentablemente disminuyen la conductividad iónica del sistema de batería, lo que conduce a un rendimiento general más bajo.
En el nuevo estudio, los investigadores dirigidos por un experto en nanotecnología meinan liu de las Universidad de Ciencia y Tecnología de China encontró que la introducción de sacarosa que contiene grupos hidroxilo es una forma efectiva de regular la estructura de solvatación de Zn2+ iones, lo que mejora la velocidad a la que se propagan los iones sin disminuir la conductividad iónica. La sacarosa también puede estabilizar el electrolito acuoso mientras que al mismo tiempo se absorbe en el ánodo de Zn para formar una capa protectora sobre él. Esto impide la corrosión del electrolito en el ánodo de Zn, dicen.
“La sacarosa con grupos hidroxilo interactúa fuertemente con Zn2+ en comparación con las moléculas de agua en el electrolito”, explica Liu. “Por lo tanto, puede reemplazar algunas de las moléculas de agua y coordinarse con Zn2+, regulando así la estructura de solvatación de los iones”.
Formación de dendritas reducida
“El Zn modificado2+ la estructura de solvatación tiene una influencia importante en la cinética de los iones, incluida la velocidad a la que se difunden a través del electrolito”, explica. Mundo de la física. “Nuestros resultados experimentales demuestran claramente que el número de transferencia de Zn2+ iones aumenta con la introducción de sacarosa. Esta movilidad mejorada de los iones ayuda a reducir la formación de dendritas como se mencionó”.
La sal industrial hace una batería de zinc más segura y sostenible
Según los investigadores, su técnica podría ayudar a los científicos a desarrollar baterías de Zn de alto rendimiento y acercar más a la realidad una batería de Zn segura y respetuosa con el medio ambiente.
De cara al futuro, Liu y sus colegas dicen que planean centrarse en desarrollar electrolitos con buena conductividad iónica que funcionen a temperaturas más bajas. Ellos detallan su presente estudio en Nano investigación.
