Una nueva membrana mejora la reversibilidad de las pilas de zinc-aire
Los retos que se plantean desde hace tiempo para la aplicación práctica de las pilas recargables de zinc-aire (ZAB) son la irreversibilidad electroquímica del ánodo de Zn y la degradación de los cátodos de aire en el electrolito alcalino, lo que a la larga se traduce en una escasa duración de los ciclos y un bajo voltaje de las pilas.
Diagrama esquemático de la ZAB híbrida con una membrana conductora de iones e hidrofóbica con apantallamiento de protones, y las correspondientes reacciones químicas.
Image by ZHANG Xinbo
Para mejorar la reversibilidad de las ZABs, se han realizado esfuerzos exhaustivos para explotar catalizadores de alta supervivencia para el cátodo de aire mientras se debilita la corrosión del ánodo de Zn mediante el diseño del electrodo o los aditivos del electrolito. Estas estrategias pueden aliviar, pero no superar por completo, los principales problemas asociados al electrolito fuertemente alcalino.
Con un enfoque diferente, un equipo de investigación dirigido por ZHANG Xinbo, del Instituto de Química Aplicada de Changchun (CIAC) de la Academia China de Ciencias, ha desarrollado recientemente un ZAB híbrido estable de alto voltaje utilizando un ánodo de Zn neutro, un cátodo ácido y una membrana de blindaje de protones inducida por un doble hidrofóbico para separar los dos electrodos. Sus resultados se publicaron en Joule.
Los investigadores descubrieron que se puede conseguir un recubrimiento/descubrimiento de Zn altamente reversible en electrolitos neutros, mientras que los electrolitos ácidos son esenciales para que el cátodo de aire sea inmune a los problemas de envenenamientopor CO2. Por lo tanto, propusieron un ZAB híbrido desacoplando los entornos funcionales del cátodo de aire ácido y del ánodo de Zn neutro.
Sin embargo, el requisito esencial para el funcionamiento a largo plazo de una ZAB híbrida es que los dos electrodos funcionen de forma independiente en sus respectivos entornos, evitando así de forma completa y permanente el cruce de protones del catolito al anolito. Basándose en este requisito, los investigadores propusieron una membrana conductora de iones hidrofóbica que protege a los protones para hacer posible este sistema híbrido.
En particular, esta célula híbrida permite optimizar la química redox tanto del ánodo de Zn como del cátodo de aire. Esto permite una extracción/deposición estable del Zn en el electrolito neutro y el alto voltaje de la reacción redox del oxígeno en el electrolito ácido. Como resultado, la ZAB híbrida presenta un alto voltaje de trabajo de 1,5 V y una larga vida de ciclo de 2000 h.
ZHANG y su equipo propusieron dos tipos de prototipos de pilas híbridas que emplearían la estrategia de apantallamiento de protones y conducción de iones hidrofóbica. Se espera que tanto la batería híbrida de Zn-Mn como la batería híbrida de Zn-Br presenten un voltaje potencialmente alto y una larga vida útil, demostrando así la viabilidad de utilizar dichas células híbridas para crear baterías acuosas de alta densidad energética.
Según ZHANG, "el surgimiento de una ZAB híbrida también podría estimular el desarrollo de muchas áreas en auge, como la ORR/OER ácida en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones y electrolizadores".
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