Un nuevo material para el cátodo acerca aún más a la realidad las baterías acuosas de iones de zinc
Los investigadores utilizaron la molienda con bolas como método rentable para generar defectos de oxígeno en el MnO₂ electrolítico.
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Uno de los mayores retos a los que se enfrentan los científicos e ingenieros en la era de la energía limpia no es cómo generar energía a partir del sol y el viento, sino cómo almacenarla.
Tradicionalmente, las baterías de iones de litio se han utilizado en vehículos porque pueden almacenar una gran cantidad de energía en un espacio reducido, solo pierden una pequeña cantidad de energía durante la carga y la descarga, y responden rápidamente a los cambios en la demanda de energía. A pesar de estas ventajas, las baterías de iones de litio presentan riesgos de inflamabilidad, son propensas a la escasez en la cadena de suministro y resultan caras, lo que ha impulsado la investigación de otras tecnologías de materiales para las baterías del futuro.
Una tecnología que los investigadores han estudiado para su uso en aplicaciones de baterías es la de las baterías acuosas de iones de zinc (AZIB). A diferencia de las baterías tradicionales de iones de litio, las AZIB utilizan iones de zinc divalentes (Zn²⁺, un átomo metálico con carga positiva que ha perdido dos electrones) en lugar de iones de litio monovalentes (Li⁺) como portadores de carga, es decir, las partículas en movimiento que transportan la carga eléctrica para generar un flujo de electricidad. Además, las AZIB utilizan como electrolito soluciones seguras a base de agua, ya sean de ácido suave o de sales neutras, en lugar de disolventes líquidos orgánicos volátiles y altamente inflamables, lo que las hace no inflamables. Los ánodos de las AZIB, es decir, la fuente de electrones y el lugar donde se produce la oxidación química, también están fabricados con zinc —un material barato y abundante— en lugar de compuestos de litio, lo que las hace más rentables.
Encontrar un cátodo ideal —es decir, un electrodo con carga positiva que adquiera electrones durante la descarga— para las AZIB ha sido el principal escollo para el desarrollo de esta tecnología. Para abordar este problema, un equipo de investigadores de la Universidad de Chongqing, la Universidad de Educación de Guizhou, la Universidad de Hainan y la Universidad de Taizhou exploró el uso de dióxido de manganeso electrolítico (MnO₂) fabricado como material de cátodo para las AZIB, debido a su bajo coste, abundancia, alta capacidad de almacenamiento de energía y seguridad.
El equipo publicó su artículo, titulado «Unveiling the action mechanism of synergistic d/p-band center modulation on the zinc storage capability of industrial-grade MnO₂ cathode» (Desvelando el mecanismo de acción de la modulación sinérgica del centro de la banda d/p sobre la capacidad de almacenamiento de zinc del cátodo de MnO₂ de grado industrial), el 15 de julio en Nano Research Energy, una revista editada por Tsinghua University Press.
«La aplicación práctica delMnO₂ electrolítico de fabricación industrial(EMD) se ve obstaculizada por su escasa conductividad intrínseca —la capacidad de conducir la electricidad—, lo que ralentiza la cinética de reacción, y por su inestabilidad estructural durante los ciclos de carga y descarga. Esto último da lugar a transiciones de fase irreversibles —cambios termodinámicos que impiden que el sistema vuelva a su estado inicial sin aportar energía externa—, a la degradación estructural y a la consiguiente disolución del manganeso, lo que provoca una pérdida irreversible de capacidad. Por lo tanto, la investigación sobre los cátodos de EMD representa un paso fundamental para salvar la brecha entre la investigación básica y la aplicación práctica de las baterías AZIB… y las soluciones de almacenamiento de energía a escala de red comercialmente viables», afirmó Zhenyue Xing, profesor asociado de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Hainan, en Haikou (China), y uno de los autores del estudio de investigación.
Una forma de mejorar la conductividad electrónica, debilitar el atrapamiento electrostático de los iones Zn²⁺ y acelerar la cinética de difusión iónica del EMD consiste en crear defectos de oxígeno —es decir, átomos de oxígeno ausentes en la estructura cristalina de un material sólido, como el MnO₂— en el EMD comercial. Estos defectos dejan electrones sobrantes y permiten que los electrones se muevan libremente a través del material.
Los investigadores utilizaron la molienda con bolas —un proceso que consiste en el movimiento mecánico giratorio o vibratorio de bolas pesadas dentro de un recipiente para moler polvos— como una forma rentable de crear defectos de oxígeno en el EMD. A través de este proceso, la energía de cizallamiento mecánico permite que el oxígeno reticular del EMD se escape.
El equipo midió las propiedades básicas del EMD sometido a molienda con bolas en comparación con el EMD nativo, tales como las energías de adsorción (la fuerza de unión entre una molécula y una superficie) y las barreras cinéticas, reflejadas en las energías de migración de los ionesZn²⁺y H⁺, o las barreras energéticas que los átomos o moléculas cargados deben superar para desplazarse a través de un material sólido o una red cristalina.
«Tras el tratamiento de molienda con bolas, el contenido de oxígeno del EMD disminuye del 68,93 % al 61,17 %, mientras que el contenido de manganeso aumenta de forma correspondiente del 31,07 % al 38,83 %. Este cambio en la composición indica la formación de vacantes de oxígeno (Ov) dentro de la estructura del MnO₂. La presencia deOv favorece el transporte de electrones a través de la semimetalicidad inducida (una propiedad en la que los electrones con un sentido de espín conducen la electricidad como un metal, mientras que los electrones con el espín opuesto se comportan como un aislante), lo que mejora la conductividad y, por tanto, puede mejorar el rendimiento electroquímico del cátodo de MnO₂», afirmó Xing.
Los investigadores descubrieron que los defectos de oxígeno en el EMD molido en bola desplazan los niveles de energía de las bandas (d) metálicas y las bandas (p) no metálicas (p), que se refieren a los orbitales atómicos que confieren propiedades conductoras metálicas o no metálicas, para equilibrar las energías de enlace iónico, evitando así el atrapamiento o la retención de ionesZn²⁺y H⁺, una de las desventajas del EMD nativo. Este desplazamiento de los niveles de energía también reduce las barreras de difusión (la energía necesaria para que los iones se desplacen a través de una estructura reticular) y limita las distorsiones estructurales observadas en el EMD durante los ciclos de carga y descarga.
«Este estudio no solo proporciona un material de electrodo de alto rendimiento para las baterías de iones de zinc (ZIB) avanzadas, sino que también ofrece una profunda comprensión mecánica del papel fundamental que desempeña la química de los defectos en la regulación de la cinética de reacción, lo que supone una vía prometedora y escalable para el desarrollo de materiales de almacenamiento de energía de próxima generación», afirmó Xing.
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