As baterias aquosas de zinco são alternativas promissoras aos seus primos de íons de lítio, mas sofrem de um dos mesmos problemas: a formação de dendritos. Essas estruturas semelhantes a agulhas se formam na superfície do ânodo de zinco e crescem no eletrólito, causando curto-circuito na bateria ou, em alguns casos, até ignição. Uma equipe de pesquisadores na China mostrou agora que a adição de açúcar de mesa comum (sacarose) quimicamente modificado com grupos hidroxila ao eletrólito pode retardar o crescimento de dendritos de zinco, alterando o ambiente do solvente. Além disso, a sacarose também forma uma camada protetora no ânodo e retarda sua corrosão.
As baterias de íon de lítio são as baterias mais amplamente empregadas hoje em eletrônicos portáteis e veículos elétricos, mas os eletrólitos orgânicos inflamáveis e tóxicos que elas contêm são motivo de preocupação. O lítio também é caro em comparação com alguns outros metais mais comuns, e a oferta global é vítima de várias incertezas. As baterias de zinco, que normalmente são formadas com eletrólitos aquosos, são um substituto atraente porque o zinco é mais barato, menos tóxico, mais facilmente reciclado e mais amplamente disponível do que o lítio. Possuem também alta densidade energética, com alta capacidade específica (820 mAh/ge 5 855 mAh/cm3) e um potencial redox favorável (-0.76V versus o eletrodo de hidrogênio padrão) do ânodo de Zn.
O problema é que quando o íon zinco (Zn2+) a concentração na superfície do ânodo cai para zero, os dendritos começam a crescer nele. A presença dessas estruturas faz com que o desempenho eletroquímico da bateria se deteriore e pode ser perigoso se não for controlado.
Modificando o ambiente solvente
Estudos recentes mostraram que modificar o ambiente do solvente (ou “estrutura de solvatação”), por exemplo, introduzindo sais ou incluindo menos moléculas de água, pode aumentar a velocidade com que o Zn2+ os íons se movem em resposta a um campo elétrico e, portanto, suprimem o crescimento de dendritos. No entanto, tais ajustes infelizmente diminuem a condutividade iônica do sistema de bateria, levando a um desempenho geral inferior.
No novo estudo, pesquisadores liderados por especialista em nanotecnologia Meinan Liu da Universidade da Ciência e Tecnologia da China descobriram que a introdução de sacarose contendo grupos hidroxila é uma maneira eficaz de regular a estrutura de solvatação do Zn2+ íons, o que aumenta a velocidade na qual os íons se propagam sem diminuir a condutividade iônica. A sacarose também pode estabilizar o eletrólito aquoso enquanto ao mesmo tempo absorve no ânodo de Zn para formar uma camada protetora sobre ele. Isso impede a corrosão do eletrólito no ânodo de Zn, dizem eles.
“A sacarose com grupos hidroxila interage fortemente com o Zn2+ em comparação com as moléculas de água no eletrólito”, explica Liu. “Pode, portanto, substituir algumas das moléculas de água e coordenar com Zn2+, regulando assim a estrutura de solvatação dos íons.”
Formação de dendritos reduzida
“O Zn modificado2+ A estrutura de solvatação tem uma influência importante na cinética dos íons, incluindo a taxa na qual eles se difundem através do eletrólito”, diz ela. Mundo da física. “Nossos resultados experimentais demonstram claramente que o número de transferência de Zn2+ íons aumenta com a introdução de sacarose. Essa mobilidade aprimorada dos íons ajuda a reduzir a formação de dendritos, conforme mencionado.”
O sal industrial cria uma bateria de zinco mais segura e sustentável
De acordo com os pesquisadores, sua técnica pode ajudar os cientistas a desenvolver baterias de Zn de alto desempenho e trazer uma bateria de Zn segura e ecológica mais próxima da realidade.
Olhando para o futuro, Liu e colegas dizem que planejam se concentrar no desenvolvimento de eletrólitos com boa condutividade iônica que funcionem em temperaturas mais baixas. Eles detalham seu presente estudo em Nanopesquisa.
