Debido a las crecientes preocupaciones ambientales, la producción de energía global está cambiando de los combustibles fósiles a los sistemas de energía sostenible y renovable, como la energía solar y eólica. A pesar de sus ventajas, tienen dos debilidades significativas: la producción volátil de energía y el suministro irregular. Por lo tanto, se complementan con sistemas de almacenamiento de energía (ESS). Las baterías de iones de litio están a la vanguardia de los ESS, pero son propensas a incendios debido a los electrolitos inflamables y los materiales a base de litio. La batería de zinc-bromo sin flujo (FLZBB), que utiliza electrolitos no inflamables, es una alternativa prometedora, que ofrece rentabilidad y una plataforma de batería simple.
Una 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 en FLZBB no necesita ser bombeado y, en cambio, se mantiene en un recipiente similar a un gel. El fieltro de grafito (GF) se utiliza ampliamente como electrodo en muchas baterías redox debido a su estabilidad en electrolitos ácidos. Sin embargo, en las FLZBB, los iones de bromo y polibromo se forman dentro del electrodo positivo de GF durante la carga. Estos materiales activos pueden escapar y difundirse incontrolablemente al electrodo negativo, provocando una autodescarga, lo que afecta gravemente el rendimiento y la vida útil. Muchos estudios han explorado enfoques para suprimir este fenómeno de cruce, sin embargo, la autodescarga sigue siendo un problema importante para las FLZBB.
Para abordar este problema, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Chanho Pak e incluidos el estudiante integrado de maestría y doctorado Youngin Cho (primer autor) de la Escuela de Posgrado de Convergencia Energética, Instituto de Tecnología Integrada del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea, desarrolló un novedoso electrodo de GF grueso recubierto de carbono mesoporoso dopado con nitrógeno (NMC/GF). Su estudio fue hecho disponible en línea el 22 de abril de 2024 y publicado en el Volumen 490 del Chemical Engineering Journal el 15 de junio de 2024.
Los investigadores fabricaron los electrodos NMC/GF utilizando un método sencillo y rentable de autoensamblaje inducido por evaporación. En este método, un fieltro de GF prístino se recubrió con materiales precursores y se mezcló en un solvente, seguido de secado y curado. Cuando se aplica a una FLZBB, los nuevos electrodos suprimieron eficazmente el cruce de los materiales activos y evitaron la autodescarga. Este éxito se atribuyó a los mesoporos presentes en las fibras GF de los electrodos NMC/GF.
El profesor Pak explica: “El recubrimiento de NMC en los electrodos de GF introdujo mesoporos con sitios de nitrógeno estratégicamente incrustados, que sirvieron como una fortaleza, capturando el bromo y los complejos de bromo en el electrodo positivo, suprimiendo los fenómenos de cruce de bromo y autodescarga. Además, este recubrimiento hizo que los electrodos de GF prístinos originalmente hidrófobos fueran ultrahidrófilos, mejorando el contacto interfacial con el electrolito en el electrolito acuoso y mejorando el rendimiento electroquímico. Además, permitió la incorporación de abundantes especies de oxígeno y nitrógeno, lo que mejoró las velocidades de reacción del bromo, lo que impulsó aún más el rendimiento”.
La FLZBB con electrodos NMC/GF demostró excelentes eficiencias coulómbica y energética del 96% y el 76%, respectivamente, a una densidad de corriente de 20 mA cm-2, así como una alta capacidad de área de 2 mAh cm-2. Además, la batería exhibió una durabilidad sin precedentes, con una estabilidad de ciclado de carga/descarga extendida a más de 10,000 ciclos. Además, el electrodo GF grueso utilizado puede reducir potencialmente el precio general 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 durante más de 10,000 ciclos con altas eficiencias, acelerará el desarrollo de ESS estables y una eco-conversión de energía amigable en el largo plazo. plazo. Además, el electrodo positivo NMC/GF también se puede utilizar para otras baterías acuosas.”
Esta tecnología innovadora puede permitir aplicaciones prácticas de FLZBB, lo que lleva a ESS más seguras y sistemas de energía renovable más estables.
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Referencia
Acerca del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST)
El Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) fue fundado en 1993 por el gobierno coreano como una escuela de posgrado orientada a la investigación para ayudar a garantizar el crecimiento económico y la prosperidad continuos de Corea mediante el desarrollo de ciencia y tecnología avanzadas con énfasis en la colaboración con la comunidad internacional. Desde entonces, GIST ha sido pionero en un currículo de ciencias de pregrado altamente reconocido en 2010 que se ha convertido en un modelo para otras universidades científicas en Corea. Para obtener más información sobre GIST y sus emocionantes oportunidades para investigadores y estudiantes por igual, visite http://www.gist.ac.kr/.
Acerca de los autores
Dr. Chanho Pak ha sido profesor titular en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) desde agosto de 2016. Antes de trasladarse a GIST, trabajó como vicepresidente del Centro de Investigación de Baterías de Samsung SDI, dirigiendo el desarrollo de MEA para vehículos eléctricos de pila de combustible. También trabajó para el Samsung Advanced Institute of Technology de Samsung Electronics de 1995 a 2013. Obtuvo su licenciatura (1990), maestría (1992) y doctorado (1995) en el Departamento de Química del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. Realizó investigaciones posdoctorales en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Yale en 1999 y en la Facultad de Química de la Universidad de California, Berkeley en 2000. Tiene más de 130 publicaciones de investigación y 228 patentes otorgadas en el campo de la pila de combustible y los materiales nanoestructurados.
Youngin Cho es un estudiante integrado de maestría y doctorado en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju desde 2022.
Diario
Revista de Ingeniería Química
Método de investigación
Estudio experimental
Asunto de investigación
No aplicable
Título del artículo
Lograr una ciclabilidad sin precedentes de la batería de zinc-bromo sin flujo mediante carbono mesoporoso dopado con nitrógeno en un electrodo de fieltro de grafito grueso
Fecha de publicación del artículo
15-Jun-2024
Declaración de COI
Los autores declaran los siguientes intereses financieros/relaciones personales que pueden considerarse como posibles intereses en competencia: Chanho Pak informa que el apoyo financiero fue proporcionado por el Ministerio de Ciencia y TIC de Corea. Chanho Pak tiene la patente n.º 2023-0137175 pendiente para el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju. Si hay otros autores, declaran que no tienen intereses financieros en competencia conocidos o relaciones personales que podrían haber parecido influir en el trabajo informado en este artículo.