Debido a las crecientes preocupaciones medioambientales, la producción mundial de energía está pasando de los combustibles fósiles a sistemas de energía sostenibles y renovables, como la energía solar y eólica. A pesar de sus ventajas, tienen dos debilidades principales: generación de energía inestable y suministro irregular. Por ello, se están expandiendo con los sistemas de almacenamiento de energía (ESS). Las baterías de iones de litio están a la vanguardia de los ESS, pero son propensas a sufrir incendios debido a electrolitos inflamables y materiales a base de litio. La batería de bromo de zinc sin flujo (FLZBB), que utiliza electrolitos no inflamables, es una alternativa prometedora que ofrece rentabilidad y una plataforma de batería sencilla.
Un FLZBB consta de un electrodo positivo, un electrodo negativo, un electrolito y un separador para mantener los electrodos separados. A diferencia de las baterías convencionales de zinc-bromo, el electrolito del FLZBB no requiere bombeo y, en cambio, se almacena en un recipiente similar a un gel. El fieltro de grafito (GF) se usa ampliamente como electrodo en muchas baterías redox debido a su estabilidad en electrolitos ácidos. Sin embargo, en los FLZBB, los iones de bromo y polibromuro se forman dentro del electrodo positivo de GF durante la carga. Este material activo puede difundirse incontrolablemente en el electrodo negativo, provocando una autodescarga, lo que afecta negativamente al rendimiento y la vida útil. Muchos estudios han explorado formas de suprimir este fenómeno cruzado; sin embargo, la autodescarga es un problema importante para los FLZBB.
Para abordar este problema, un equipo de investigadores dirigido por el Prof. Chinho Pak y que incluye MS y Ph.D. El estudiante Yangin Cho (primer autor) de la Escuela de Graduados en Convergencia Energética, Instituto de Tecnología Integrada, Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea, desarrolló un novedoso electrodo GF (NMC/GF) grueso recubierto de carbono mesoporoso dopado con nitrógeno. Su estudio estuvo disponible en línea el 22 de abril de 2024 y se publicó en Chemical Engineering Journal, volumen 490, el 15 de junio de 2024.
Los investigadores fabricaron los electrodos NMC/GF utilizando un método de autoensamblaje inducido por evaporación sencillo y rentable. En este método, se recubrió un GF prístino con un material precursor y se disolvió en un disolvente, seguido de secado y curado. Cuando se aplicaron a FLZBB, los nuevos electrodos suprimieron eficazmente el cruce de material activo y evitaron la autodescarga. Este éxito se atribuye a los mesoporos de las fibras GF en los electrodos NMC/GF.
“El recubrimiento de NMC en los electrodos GF introdujo mesoporos con sitios de nitrógeno estratégicamente incrustados, que actúan como una fortaleza, atrapando bromo y complejos de bromo en el electrodo positivo, la reticulación del bromo”, explica el profesor Pak, suprime los fenómenos de sobredescarga y autodescarga. Además, este recubrimiento hizo que los electrodos GF prístinos originalmente hidrófobos fueran ultrahidrófilos, mejorando el contacto interfacial con el electrolito en agua y mejorando el rendimiento electroquímico extendido, también permitió la incorporación de más especies de oxígeno y nitrógeno, mejorando aún más la velocidad del. reacción de bromo.”
FLZBB con electrodos NMC/GF exhibió excelentes eficiencias Coulombic y energética del 96% y 76%, respectivamente, a una densidad de corriente de 20 mA cm.-2También una capacidad de área de alta velocidad de 2 mAh cm-2. Además, la batería demostró una durabilidad sin precedentes, con una estabilidad de los ciclos de carga/descarga extendida a más de 10.000 ciclos. Además, el electrodo GF más grueso utilizado puede reducir potencialmente el coste total de la batería.
Destacando la importancia de este logro, el profesor Pak dice: “El desarrollo del electrodo positivo FLZBB, que mantiene un funcionamiento a largo plazo con alta eficiencia durante más de 10.000 ciclos, acelera los ESS estables a largo plazo y la conversión de energía respetuosa con el medio ambiente. Además, el NMC/GF. El electrodo positivo también se puede utilizar para otras baterías acuosas.”
Esta tecnología básica puede permitir el uso práctico de FLZBB, lo que conducirá a ESS más seguros y sistemas de energía renovable más estables.
