Las pilas de níquel-zinc son prometedoras por su alto voltaje de salida, su elevada energía específica teórica, su gran seguridad y su bajo coste. Sin embargo, las pilas alcalinas recargables de níquel-zinc se enfrentan a importantes problemas relacionados con la reacción catódica lateral de evolución del oxígeno, que se traduce en una baja eficiencia energética y una escasa estabilidad.
Ahora, un equipo de investigación del Instituto de Física Química de Dalian (DICP) de la Academia China de Ciencias ha propuesto construir un cátodo con respiración de aire que utilice la reacción lateral de evolución de oxígeno (OER) en las pilas de níquel-zinc acoplando electrocatalizadores para reacciones de reducción de oxígeno (ORR) en el cátodo.
Esta novedosa batería, las baterías de Ni-Zn con cátodos de respiración de aire (Ni-ZnAB), diseñada en una celda tipo bolsa con un electrolito pobre, exhibió una vida útil ultralarga y una eficiencia energética ultraalta, significativamente superior a la de las baterías de Ni-Zn y Zn-aire (ZAB).
La inevitable OER en el proceso de carga de la Ni-Zn reduce la eficiencia energética y la eficiencia coulómbica, lo que da lugar a una pobre capacidad de almacenamiento y liberación de energía. Aunque la OER en el cátodo puede suprimirse parcialmente controlando la tensión de carga y utilizando aditivos electrolíticos, estas estrategias son, por desgracia, insuficientes para resolver completamente el problema de la OER en el sistema Ni-Zn.
El nuevo enfoque permitiría utilizar el oxígeno generado durante la carga a través del OER durante la descarga, de forma similar al mecanismo de respiración de aire. En estas baterías Ni-ZnAB, el OER en el cátodo ya no era una reacción secundaria indeseable durante el proceso de carga.
Además, la pérdida de eficiencia coulómbica del hidróxido de níquel podía ser compensada por la ORR. En comparación con las baterías de Ni-Zn convencionales, las nuevas baterías de Ni-ZnAB mostraron una estabilidad cíclica y una eficiencia energética significativamente mejores.
Debido a los efectos estabilizadores en el electrolito y el electrodo, la batería de Ni-ZnAB de tipo bolsa mostró un excelente rendimiento cíclico de 100 horas con una capacidad de 45 mAh. Además, mostró una eficiencia energética media del 85,1%, lo que indica el potencial de la batería Ni-ZnAB para aplicaciones prácticas.
Para mejorar aún más la estabilidad de los ciclos, se diseñó una batería de Ni-ZnAB de tipo molde con un electrolito rico, que proporcionó una estabilidad ultra alta de 500 ciclos con una eficiencia energética superior al 80%, mostrando una mejora significativa en comparación con la de Ni-Zn.
Nuestros resultados ponen de relieve la importancia de incorporar un cátodo con respiración de aire en las pilas de Ni-Zn para mejorar su estabilidad y eficiencia energética, y muestran el potencial de las pilas Ni-ZnAB como valiosa guía para diseñar pilas de Ni-Zn de gran estabilidad.
Yang Weishen, investigador principal.
Vía cas.cn
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