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Rendimiento mejorado de la batería de zinc-aire con energía solar
Perspectivas para aprovechar la superación de las limitaciones de las "baterías de zinc-aire", prometiendo baterías de próxima generación. Electrocatalizador bifuncional desarrollado con heterounión p-n escalonada aplicando características de interfaz de celda solar/semiconductor.
Las baterías de zinc-aire, que producen electricidad a través de una reacción química entre el oxígeno de la atmósfera y el zinc, se consideran candidatas de próxima generación para satisfacer la explosiva demanda de vehículos eléctricos en lugar de baterías de iones de litio. Cumplen teóricamente con todas las características requeridas para las baterías secundarias de última generación, tales como; alta densidad energética, bajo riesgo de explosión, respeto por el medio ambiente que no emite contaminantes y bajo costo de los materiales (zinc y aire, que se pueden obtener fácilmente de la naturaleza).
El Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST, presidente Seok-Jin Yoon) anunció que su equipo de investigación dirigido por el Dr. Joong Kee Lee (Centro de Investigación de Almacenamiento de Energía) desarrolló una tecnología para mejorar el rendimiento electroquímico de las baterías de zinc-aire utilizando energía solar. energía, que está emergiendo como una nueva área de investigación y desarrollo en el campo de las baterías secundarias.
La batería desarrollada por el equipo de investigación utiliza un electrocatalizador de aire bifuncional fotoactivo con una estructura semiconductora con niveles de energía alternos, lo que mejora significativamente las tasas de reacción de reducción de oxígeno (ORR) y reacción de evolución de oxígeno (OER) que generan electricidad. El catalizador bifuncional fotoactivo es un compuesto que acelera las reacciones químicas mediante la absorción de energía luminosa y tiene una capacidad de absorción de luz mejorada que los catalizadores de batería de zinc-aire convencionales.
En una batería de zinc-aire que usa metal y aire como ánodo y cátodo de la batería, OER y ORR deben realizarse alternativamente para la conversión de energía eléctrica del oxígeno como material activo del cátodo. Por lo tanto, la actividad catalítica del colector de corriente del electrodo positivo, hecho de material de carbono, es un factor importante para determinar la densidad de energía y la eficiencia total de la celda de las baterías de zinc-aire.
En consecuencia, el equipo de investigación de KIST se centró en la heterounión p-n, la unidad estructural básica de las células solares y los semiconductores, como medida para mejorar la actividad catalítica lenta de las baterías de zinc-aire. El objetivo era acelerar el proceso de producción y reducción de oxígeno mediante el uso de las características de interfaz de los semiconductores en los que se produce el movimiento de electrones. Para ello, se sintetizó un material catódico con estructura de banda prohibida de heterounión, con un semiconductor de tipo n (nitruro de carbono grafítico, g-C3N4) y un semiconductor de tipo ap (ZIF-67 dopado con cobre (Zeolitic Imidazolate Framework-67), CuZIF-67).
Además, se realizó un experimento en condiciones reales sin luz para confirmar el potencial comercial del catalizador fotoactivo bifuncional con estructura de heterounión p-n con niveles de energía alternos. La batería prototipo mostró una densidad de energía de 731,9 mAh gZn-1, similar al mejor desempeño de la batería de zinc-aire existente. En presencia de la luz solar, la densidad de energía aumentó alrededor de un 7 % hasta 781,7 mAh gZn-1 y un excelente rendimiento de ciclo (334 horas, 1000 ciclos), exhibiendo el mejor rendimiento entre los catalizadores conocidos.
El Dr. Lee dijo: “La utilización de la energía solar es una parte importante no solo para mejorar el rendimiento electroquímico de las baterías secundarias, sino también para lograr una sociedad sostenible. Esperamos que esta tecnología se convierta en un catalizador que estimule el desarrollo de nuevas tecnologías de convergencia en física y electroquímica de semiconductores, además de resolver las dificultades de las baterías de metal-aire que están surgiendo como alternativa a las baterías de iones de litio”.
Referencia: "Electrocatalizador bifuncional fotoactivo g-C3N4/CuZIF-67 con heterounión p-n escalonada para baterías recargables de Zn-aire" por Ren Ren, Guicheng Liu, Ji Young Kim, Ryanda Enggar Anugrah Ardhi, Minh Xuan Tran, Woochul Yang y Joong Kee Lee , 120 de enero de 2022, Catálisis Aplicada B Ambiental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121096
KIST se estableció en 1966 como el primer instituto de investigación financiado por el gobierno para establecer una estrategia de desarrollo nacional basada en la ciencia y la tecnología y difundir diversas tecnologías industriales para desarrollar industrias importantes. KIST ahora está elevando el estado de la ciencia y la tecnología de Corea a través de la investigación y el desarrollo innovadores líderes en el mundo.
Esta investigación fue apoyada por el Programa Institucional KIST, el programa Brain Pool financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC (Ministro: Lim, Hyesook). Los resultados de la investigación se publicaron en el último número de la revista científica internacional Applied Catalysis B-Environmental (IF: 19.503, top 0.926% en JCR).
