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Las baterías acuosas de iones de zinc (AZIB) han atraído recientemente un gran interés como dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de las baterías acuosas de iones de zinc se ven gravemente obstaculizadas debido a sus desventajas inherentes, como la formación incontrolable de dendritas de zinc y reacciones secundarias graves.
![Las nanofibras modificadas estabilizan el ánodo de Zn en baterías acuosas de iones de zinc](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39684_16632624560871343.jpg)
Estudio: Las nanofibras de carbono modificadas con nanopartículas de cobre para la deposición de semillas de zinc permiten un ánodo de metal Zn estable. Crédito: arte nick/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista ACS Sustainable Chemistry & Engineering aborda este problema al construir un ánodo de zinc confiable a partir de una capa protectora conformable de nanofibras de carbono conductoras modificadas con materiales zincófilos hechos de nanopartículas de cobre.
Baterías acuosas de iones de zinc (AZIB): descripción general y desafíos
Las baterías y otros sistemas de almacenamiento de energía se han utilizado ampliamente en muchas aplicaciones industriales durante la última década. Las baterías acuosas de iones de zinc (AZIB) hechas de materiales zincófilos se consideran una tecnología de almacenamiento de energía interesante.
Sin embargo, las dendritas de zinc, la reacción de conversión de hidrógeno y el alto potencial de oxidación de los ánodos de zinc dificultan la aplicación práctica de los AZIB. La actividad electrocatalítica de los ánodos metálicos de zinc hechos de materiales zincófilos adecuados puede mejorarse mediante varias técnicas. Esto incluye el diseño de estructuras tridimensionales, capas límite sintéticas e ingeniería de electrolitos.
Similar a la superficie del electrodo de un ánodo de litio, una capa protectora de superficie en un ánodo de zinc puede ayudar a proteger el electrodo de las baterías acuosas de iones de zinc al reducir la interacción interfacial entre el electrodo y el electrolito, inhibir la oxidación del zinc y controlar la deposición uniforme de los iones de zinc.
Nanofibras de carbono para mejorar el rendimiento de los AZIB
Las capas de revestimiento de ánodo de zinc que se informan actualmente se pueden dividir en cuatro categorías, a saber, marcos orgánicos metálicos, capas de revestimiento inorgánico, revestimientos de polímeros y componentes a base de carbono, como las nanofibras de carbono.
Debido a su excelente estabilidad química, alta conductividad eléctrica y grandes áreas de superficie específica (SSA), las nanofibras de carbono pueden distribuir uniformemente las cargas y regular los ánodos de zinc en AZIB. Los iones de zinc en AZIB tienden a colocarse en materiales con la misma red cristalina durante la fase de nucleación preliminar.
Sin embargo, el pequeño desajuste de la red dificulta que los iones de zinc cristalicen homogéneamente en la superficie de las nanofibras de carbono, lo que inevitablemente conduce a la formación de dendritas.
Muchos estudios anteriores han demostrado con éxito que los materiales zincófilos, como las nanopartículas de cobre, se pueden usar para modificar las nanofibras de carbono para la deposición uniforme de iones metálicos en los ánodos de zinc. Por lo tanto, el uso de nanofibras de carbono con materiales zincófilos de nanopartículas de cobre altamente dispersas es una forma viable de prevenir el crecimiento de dendritas de zinc en AZIB.
Aspectos destacados del estudio actual
En este estudio, los investigadores fabricaron nanofibras de carbono conformables modificadas con nanopartículas de cobre como capa protectora para regular los ánodos de zinc utilizando una técnica simple de electrohilado. En este trabajo se utilizaron nanopartículas de cobre como materiales zincófilos adecuados debido a su notable cristalinidad.
Además de reducir las densidades de corriente locales, el recubrimiento poroso de nanofibras de carbono con un área de superficie específica (SSA) alta también puede alterar la propagación de campos electromagnéticos.
La estructura cristalina de las nanofibras de carbono se evaluó utilizando un instrumento de difracción de rayos X de última generación. Las propiedades superficiales de los materiales se evaluaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X. Las bandas de absorción se localizaron utilizando un espectroscopio Raman y un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM) para analizar la morfología superficial y la dispersión elemental de nanofibras de carbono y nanopartículas de cobre.
Resultados importantes de la investigación.
La formación de dendritas de zinc fue inhibida con éxito por una capa protectora de nanofibras de carbono modificadas con nanopartículas de cobre. Esto se puede atribuir a las nanopartículas de cobre extremadamente finas y las SSA sustanciales de las nanofibras de carbono, que proporcionan una densidad de potencia local decreciente y un sitio de nucleación en expansión para los iones de zinc.
Además, los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) revelaron que los materiales zincófilos de las nanopartículas de cobre exhibieron una eficiencia de adsorción notable para los iones de zinc, estabilizando así los ánodos de zinc de los AZIB.
En base a estos resultados, es seguro concluir que la capa de recubrimiento de nanofibras de carbono modificadas con nanopartículas de cobre desarrollada en este estudio es de gran importancia pionera para mejorar la estabilidad del ánodo de zinc y promover las aplicaciones reales de los AZIB.
Referencia
Yang, S. et al. (2022). Las nanofibras de carbono modificadas con nanopartículas de cobre para la deposición de semillas de zinc permiten un ánodo de metal Zn estable. ACS Sustentable Química y Tecnología. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c03328
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