Desarrollo de baterías secundarias de zinc-aire con electrolitos acuosos alternativos
Les bateries secundàries de zinc-aire són una tecnologia prometedora degut la seva elevada capacitat, cost reduït i baixa toxicitat. No obstant, aquesta tecnologia presenta algunes limitacions que han de ser superades per al seu desenvolupament i comercialització. La major part d'aquestes limit...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2020 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | español |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:238516 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/238516 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Bateries elèctriques Electròlits |
| Sumario: | Les bateries secundàries de zinc-aire són una tecnologia prometedora degut la seva elevada capacitat, cost reduït i baixa toxicitat. No obstant, aquesta tecnologia presenta algunes limitacions que han de ser superades per al seu desenvolupament i comercialització. La major part d'aquestes limitacions estan lligades a la naturalesa aquosa del sistema electròlit. És per això que, recentment, s'ha proposat la substitució del tradicional electròlit aquós alcalí per sistemes electrolítics aquosos "quasi-neutres" (pH comprès entre 4 i 8), basats en ZnCl2, NH4Cl i NH4OH. Degut la manca de publicacions sobre aquesta novedosa estratègia, l'objectiu principal d'aquesta Tesi s'ha centrat en establir les bases d'aquesta proposta, a través de l'estudi de cadascun dels components de les bateries de zinc-aire: el sistema electròlit, l'elèctrode bifuncional d´aire i l'ànode de zinc. En primer lloc es va dur a terme un estudi sistemàtic de diferentes formulacions electrolítiques, tot determinant la influencia de cadascun dels components de l'electròlit sobre propietats, tals com la solubilitat, la conductivitat iònica o la naturalesa de les espècies precipitades durant la descàrrega de la bateria. Tenint en compte el conjunt d'aquestes propietats, es van seleccionar dues formulacions electrolítiques per a el subsegüent desenvolupament dels elèctrodes de la bateria de zinc-aire: una descrita a l'estat de l'art (a pH 4) i l'altra (a pH 8), analitzada experimentalment per primera vegada en aquest treball, i que havia estat proposada teòricament a la literatura. L'elèctrode bifuncional d'aire va ser desenvolupat i optimitzat a través de la caracterització fisicoquímica i electroquímica de diferents agents conductors, basats en materials carbonosos, i catalitzadors bifuncionals d'aire, basats en òxids de manganés. Els resultats mostren un baix sobrepotencial de la bateria de zinc-aire, mitjançant l'ús de nanotubs de carboni (CNT) com a agent conductor per a els dos sistemes electrolítics, conseqüència de la seva àrea superficial més gran i porositat observades a l'anàlisi fisicoquímica. Un cop seleccionat l'agent conductor més adient (els CNT), es va avaluar l'activitat catalítica de l'elèctrode amb diferents catalitzadors (α-MnO2, γ-MnO2 y Mn2O3), tot comprovant que el òxids de manganés estudiats no contribuïen a l'activitat catalítica a pH 4, essent l'agent conductor (CNT) el que actuava com a catalitzador. Per contra, a l'electròlit de pH 8, la incorporació d'un 20 % de α-MnO2 va millorar les propietats catalítiques de l'elèctrode. Per aquest motiu, aquesta darrera formulació va ser seleccionada per al desenvolupament posterior. Les cel·les de zinc-aire analitzades amb l'elèctrode optimitzat van demostrar per una part, una estabilitat superior a 400 h per ambdós electròlits i, per l'altra, més avantatges en fer servir l'electròlit a pH 8: un sobrepotencial més baix, la possibilitat d'evitar la dissolució del manganés i l'estabilitat del pH durant el funcionament de la bateria. La utilització de materials de zinc en pols permet de preparar ànodes tridimensionals que faciliten l'accessibilitat de l'electròlit a la seva estructura i, a més a més, seleccionar el material actiu de zinc que mostri millors prestacions. En aquest context, es van analitzar diferents aliatges de zinc y es va triar el material de corrosió més baixa y eficiència més alta en els electròlits pH 4 i 8, per a preparar pastilles de zinc poroses. La pastilla de zinc anomenada GR, amb un 30 % d'agent porogen, va permetre reduir la corrosió anòdica i mantenir un baix sobrepotencial de la bateria a densitats de corrent més grans. Finalment, els tres components de la ce·la optimitzats en aquesta Tesi es van incorporar en una cel·la completa de zinc-aire, aconseguint més de 40 Wh kg-1EBA+Zn (10 Wh kg-1Cel·laCompleta), cosa que estableix les bases per a un desenvolupament de bateries secundàries de zinc-aire amb electròlits aquosos "quasi-neutres". |
|---|