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Mejora del rendimiento de la batería a bajas temperaturas
El almacenamiento de energía a través de la tecnología de baterías recargables impulsa nuestros estilos de vida digitales y respalda la integración de energía renovable en la red eléctrica. Sin embargo, la función de la batería en condiciones de frío sigue siendo un desafío, lo que motiva la investigación para mejorar el rendimiento de las baterías a baja temperatura. Las baterías acuosas (en una solución líquida) funcionan mejor que las baterías no acuosas en términos de capacidad de tasa (una medida de energía descargada por unidad de tiempo) a bajas temperaturas.
Una nueva investigación de ingenieros de la Universidad China de Hong Kong, que se publicó recientemente en la revista Nano Research Energy, propone elementos de diseño óptimos de electrolitos acuosos para su uso en baterías acuosas de baja temperatura. La investigación revisa las propiedades fisicoquímicas de los electrolitos acuosos (que determinan su rendimiento en las baterías) en función de varias métricas: diagramas de fase, tasas de difusión de iones y la cinética de las reacciones redox.
Los principales desafíos para las baterías acuosas de baja temperatura son que los electrolitos se congelan, los iones se difunden lentamente y, en consecuencia, la cinética redox (procesos de transferencia de electrones) es lenta. Estos parámetros están estrechamente relacionados con las propiedades fisicoquímicas de los electrolitos acuosos de baja temperatura utilizados en las baterías.
Por lo tanto, para mejorar el rendimiento de la batería en condiciones de frío, es necesario comprender cómo responden los electrolitos al frío (–50 oC a –95 oC / –58 oF a –139 oF). Dice el autor del estudio y profesor asociado Yi-Chun Lu: “Para obtener baterías acuosas de baja temperatura (LT-AB) de alto rendimiento, es importante investigar las propiedades fisicoquímicas de los electrolitos acuosos que dependen de la temperatura para guiar el diseño de baterías de baja temperatura. electrolitos acuosos (LT-AE)”.
Evaluación de electrolitos acuosos
Los investigadores compararon varios LT-AE utilizados en tecnologías de almacenamiento de energía, incluidas baterías acuosas de Li+/Na+/K+/H+/Zn2+, supercondensadores y baterías de flujo. El estudio recopiló información de muchos otros informes sobre el rendimiento de diversos LT-AE, por ejemplo, un electrolito de hidrogel anticongelante para una batería acuosa de Zn/MnO2; y un electrolito híbrido basado en etilenglicol (EG)-H2O para una batería de metal Zn.
Examinaron sistemáticamente los diagramas de fase de equilibrio y no equilibrio de estos LT-AE informados para comprender sus mecanismos anticongelantes. Los diagramas de fase mostraron cómo cambia la fase del electrolito a través de cambios de temperatura. El estudio también examinó la conductividad en LT-AE con respecto a la temperatura, las concentraciones de electrolitos y los portadores de carga.
El autor del estudio, Lu, predijo que "los electrolitos acuosos anticongelantes ideales no solo deben exhibir una temperatura de congelación baja Tm, sino que también deben poseer una fuerte capacidad de sobreenfriamiento", es decir, el medio de electrolito líquido permanece líquido incluso por debajo de la temperatura de congelación, lo que permite el transporte de iones a una temperatura ultrabaja.
Los autores del estudio descubrieron que, de hecho, los LT-AE que permiten que las baterías funcionen a temperaturas ultrabajas en su mayoría muestran puntos de congelación bajos y fuertes capacidades de sobreenfriamiento. Además, Lu propone que "la fuerte capacidad de superenfriamiento se puede lograr mejorando el tiempo mínimo de cristalización t y aumentando el valor de la relación entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de congelación (Tg/Tm) de los electrolitos".
La conductividad de carga de los LT-AE informados para su uso en baterías podría mejorarse reduciendo la cantidad de energía requerida para que ocurra la transferencia de iones, ajustando la concentración de electrolitos y eligiendo ciertos portadores de carga que promuevan velocidades de reacción redox rápidas. Dice Lu: "Reducir la energía de activación de difusión, optimizar la concentración de electrolitos, elegir portadores de carga con un radio de hidratación bajo y diseñar mecanismos de difusión concertados serían estrategias efectivas para mejorar la conductividad iónica de los LT-AE".
En el futuro, los autores esperan seguir estudiando las propiedades fisicoquímicas de los electrolitos que contribuyen a mejorar el rendimiento de las baterías acuosas a bajas temperaturas. “Nos gustaría desarrollar baterías acuosas de baja temperatura y alto rendimiento (LT-AB) mediante el diseño de electrolitos acuosos que posean una temperatura de congelación baja, una fuerte capacidad de superenfriamiento, una alta conductividad iónica y una cinética redox interfacial rápida”, dice Lu.
