Uma estratégia molecular para baterias de zinco de maior duração e sem dendritos
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As baterias aquosas de zinco metálico estão a atrair cada vez mais atenção como sistemas promissores de armazenamento de energia, devido à sua segurança inerente, baixo custo e elevada densidade energética teórica. No entanto, o seu desenvolvimento prático continua a ser dificultado pelo transporte lento de iões de zinco, pela deposição irregular do metal, pela formação de dendritos e pela evolução parasitária de hidrogénio. Investigadores do Instituto de Nanotecnologia e Nanobiónica de Suzhou, da Academia Chinesa de Ciências, da Universidade de Jiangsu, do Instituto Helmholtz de Ulm e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe desenvolveram uma estratégia de eletrólito ao nível molecular utilizando L-carnosina (L-CN) para regular a química interfacial. Ao enfraquecer as interações entre os iões de zinco e a água e reconstruir o plano de Helmholtz do elétrodo, esta abordagem permite um transporte de iões mais rápido e uma deposição de zinco mais estável, oferecendo um caminho promissor para o desenvolvimento de baterias de zinco aquosas duradouras.
Por que razão esta estratégia para baterias de zinco é importante
Nos eletrólitos aquosos convencionais, as fortes interações entre os iões Zn²⁺ e as moléculas de água circundantes criam uma elevada barreira de dessolvatação, abrandando o transporte de iões na superfície do zinco. Um fluxo irregular de Zn²⁺ pode, então, promover o crescimento dendrítico, enquanto as moléculas de água reativas desencadeiam a evolução de hidrogénio e a corrosão. Estes problemas interligados reduzem a eficiência coulômbica, consomem eletrólito e encurtam a vida útil da bateria. Em vez de depender exclusivamente de um revestimento protetor artificial, este estudo centra-se nas interações moleculares que regem a solvatação dos iões de zinco e a interface elétrodo-eletrólito.
Conceção e mecanismo inovadores
Os investigadores introduziram a L-carnosina, um dipéptido natural que contém grupos carboxilo, amino, carbonilo e imidazol, como aditivo multifuncional do eletrólito. O seu momento dipolar permanente de 5,34 D é aproximadamente 2,5 vezes superior ao da água, permitindo-lhe competir pela coordenação com o Zn²⁺ e substituir parcialmente as moléculas de água na camada de solvatação primária. Isto enfraquece as interações Zn²⁺–água e facilita a dessolvatação. A L-CN também se adsorve preferencialmente na superfície do zinco, reconstruindo o plano de Helmholtz interno numa estrutura interfacial condutora de Zn²⁺. Em conjunto, estes efeitos aceleram o transporte de iões, redistribuem o fluxo de Zn²⁺, suprimem reações parasíticas e promovem a deposição uniforme do metal. A concentração otimizada do aditivo foi de apenas 10 mmol L⁻¹ num eletrólitode ZnSO₄a 2 M.
Desempenho excecional
O eletrólito modificado com L-CN proporciona uma eficiência coulômbica média de 99,72% ao longo de 2 000 ciclos em células Zn||Cu. As células simétricas de Zn||Zn funcionam de forma estável durante mais de 7 000 horas, em comparação com a falha após aproximadamente 680 horas no eletrólito não modificado. Mesmo com uma elevada profundidade de descarga de 85,4%, as células permanecem estáveis durante mais de 200 horas. O aditivo também reduz a energia de ativação da dessolvatação de 46,14 para 27,93 kJ mol⁻¹ e aumenta o número de transferência de Zn²⁺ de 0,283 para 0,574. Em células completas, o sistemaZn||V₂O₅⁻^xfornece 289 mAh g⁻¹ após 500 ciclos a 1 A g⁻¹, com um baixo rácio de capacidade negativo/positivo de 3,98.
Aplicações e perspetivas futuras
A estratégia revela-se também promissora para além das células-moeda à escala laboratorial. Uma célula tipo bolsa de grande formato manteve aproximadamente 100% de retenção de capacidade ao longo de 200 ciclos a 1 A g⁻¹ e alimentou com sucesso um dispositivo eletrónico inteligente. Uma vez que o L-CN regula a interface eletrólito-eletrodo através da coordenação molecular, em vez de depender exclusivamente de uma camada protetora separada, esta abordagem oferece uma via potencialmente versátil para melhorar a estabilidade do zinco metálico. Uma validação mais aprofundada em condições operacionais práticas ajudará a estabelecer a sua adequação para o armazenamento de energia em escala, incluindo aplicações que exijam baterias aquosas seguras, duradouras e económicas.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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