Un descubrimiento inesperado ha llevado a una batería recargable que es tan económica como las baterías de automóvil convencionales, pero tiene una densidad de energía mucho más alta. La nueva batería podría convertirse en una alternativa rentable y ecológica para almacenar energía renovable y soportar la red eléctrica.
Un equipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía identificó esta joya de almacenamiento de energía después de darse cuenta de que la nueva batería funciona de una manera diferente a la que habían asumido. El diario Energía natural publicó un documento hoy que describe la batería.
"La idea de una batería recargable de zinc-manganeso no es nueva; los investigadores la han estado estudiando como una alternativa económica y segura a las baterías de iones de litio desde fines de la década de 1990", dijo Jun Liu, investigador del laboratorio del PNNL, autor correspondiente del artículo."Pero estas baterías generalmente dejan de funcionar después de unas pocas cargas. Nuestra investigación sugiere que estas fallas podrían haber ocurrido porque no pudimos controlar el equilibrio químico en los sistemas de almacenamiento de energía de zinc-manganeso recargables".
inclinado químicamente
Después de años de enfocarse en baterías recargables de iones de litio, los investigadores están acostumbrados a pensar en la lanzadera de iones de litio. Las baterías de iones de litio almacenan y liberan energía a través de un proceso llamado intercalación, que involucra la entrada y entrada de iones de litio.que salen de espacios microscópicos entre los átomos de los dos electrodos de una batería.
Este concepto está tan arraigado en la investigación de almacenamiento de energía que cuando los científicos de PNNL, en colaboración con la Universidad de Washington, comenzaron a considerar una alternativa segura y de bajo costo a las baterías de iones de litio, una batería recargable de óxido de zinc-manganeso, asumieronel zinc también se movería dentro y fuera de los electrodos de esa batería.
Después de una batería de pruebas, el equipo se sorprendió al darse cuenta de que su dispositivo estaba experimentando un proceso completamente diferente. En lugar de simplemente mover los iones de zinc, su batería de óxido de zinc-manganeso estaba experimentando una reacción química reversible que convirtió sus materiales activos encompletamente nuevos.
alternativa atractiva
Liu y sus colegas comenzaron a investigar las baterías recargables de zinc-manganeso porque son atractivas en papel. Pueden ser tan económicas como las baterías de plomo-ácido porque usan materiales abundantes y económicos zinc y manganeso. Y la densidad de energía de la batería puedeexceda las baterías de plomo y ácido. Los científicos de PNNL esperaban que pudieran producir una batería de mejor rendimiento al profundizar en el funcionamiento interno de la batería de óxido de zinc-manganeso.
Así que construyeron su propia batería con un electrodo de zinc negativo, un electrodo de dióxido de manganeso positivo y un electrolito a base de agua entre los dos. Pusieron pequeñas baterías de prueba del tamaño de un botón a través del escurridor, cargándolas y descargándolas repetidamente.otros habían encontrado antes que ellos, su batería de prueba perdió rápidamente su capacidad de almacenar energía después de unos pocos ciclos de carga. ¿Pero por qué?
Investigación detallada
Para descubrirlo, primero realizaron un análisis químico y estructural detallado de los materiales de electrolitos y electrodos. Se sorprendieron al no encontrar evidencia de que el zinc interactuara con el óxido de manganeso durante los procesos de carga y descarga de la batería, ya que inicialmente habían esperado que sucederíaEl hallazgo inesperado los llevó a preguntarse si la batería no se sometió a un proceso de intercalación simple como habían pensado anteriormente. Quizás la batería de zinc-manganeso se parece menos a una batería de iones de litio y más a la batería de plomo-ácido tradicional, quetambién se basa en reacciones de conversión química.
Para profundizar, examinaron los electrodos con varios instrumentos avanzados con una variedad de técnicas científicas, incluida la microscopía electrónica de transmisión, la resonancia magnética nuclear y la difracción de rayos X. Los instrumentos utilizados se ubicaron tanto en PNNL como en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales EMSL, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en PNNL. La combinación de estas técnicas reveló que el óxido de manganeso reaccionaba de forma reversible con protones del electrolito a base de agua, que creó un nuevo material, el sulfato de hidroxilo de zinc.
Por lo general, las baterías de óxido de zinc-manganeso pierden significativamente la capacidad de almacenamiento después de unos pocos ciclos. Esto sucede porque el manganeso del electrodo positivo de la batería comienza a acumularse, haciendo que el material activo de la batería sea inaccesible para el almacenamiento de energía. Pero después de que algo de manganeso se disuelve en elelectrolito, la batería se estabiliza gradualmente y la capacidad de almacenamiento se nivela, aunque a un nivel mucho más bajo.
una solución simple
El equipo utilizó el nuevo conocimiento para evitar esta fuga de manganeso. Sabiendo que la batería sufrió conversiones químicas, determinaron que la velocidad de disolución del manganeso podría reducirse al aumentar la concentración inicial de manganeso del electrolito.
Entonces agregaron iones de manganeso al electrolito en una nueva batería de prueba y sometieron la batería revisada a otra ronda de pruebas. Esta vez, la batería de prueba pudo alcanzar una capacidad de almacenamiento de 285 mili-amperios-hora por gramo de óxido de manganeso sobre5,000 ciclos, mientras retiene el 92 por ciento de su capacidad de almacenamiento inicial.
"Esta investigación muestra que el equilibrio necesita ser controlado durante una reacción de conversión química para mejorar el rendimiento de la batería de óxido de zinc-manganeso", dijo Liu. "Como resultado, las baterías de óxido de zinc-manganeso podrían ser una solución más viable para la energía a gran escalaalmacenamiento que las baterías de iones de litio y plomo-ácido utilizadas para soportar la red hoy en día "
El equipo continuará sus estudios de las operaciones fundamentales de la batería de óxido de zinc-manganeso. Ahora que han aprendido los productos de las reacciones de conversión química de la batería, continuarán para identificar los diversos pasos intermedios para crear esos productos.También jugarán con el electrolito de la batería para ver cómo los cambios adicionales afectan su funcionamiento.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE y utilizó recursos en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales EMSL, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en PNNL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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