Ácido tartárico como um novo aditivo para aproximar altas

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13301 (2022) Citar este artigo

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Dentre as baterias recarregáveis, as baterias aquosas de íons de zinco (ZIBs), devido à sua segurança, baixo custo, ecologicamente correto e simplicidade de construção, têm recebido muita atenção. Uma das partes mais críticas da tecnologia da bateria são os aditivos eletrolíticos, que foram menos estudados em relação às suas funções essenciais. Para desenvolver a qualidade dessas baterias, parâmetros específicos como economia, design fácil, duração de tempo significativa, alta descarga elétrica, taxa de carga/descarga rápida, potência/densidade de energia aceitável e eficiência de ciclo aceitável são essenciais. Neste relatório, é focado na solução aquosa de alguns ácidos orgânicos cristalinos brancos como novos aditivos eletrolíticos, como ácidos succínico, tartárico, cítrico, maleico e/ou acético como agentes redutores de sobretensão da bateria para modificar o desempenho elétrico dos ZIBs . Por exemplo, características significativas do ácido tartárico como aditivo eletrolítico especialmente selecionado para os ZIBs exibem uma excelente capacidade de até 374 mAh g-1 com capacidade de taxa aceitável e retenção de alta capacidade de até 91,0% após 7200 ciclos. Para investigar o comportamento da bateria e propor o provável mecanismo por trás desse fenômeno, alguns métodos analíticos são utilizados.

Fontes de energia não renováveis, como petróleo fóssil, gás natural e carvão, estão diminuindo gradualmente1. Além disso, a poluição ambiental está se tornando tão grave que os seres humanos devem seguir novos caminhos para desenvolver fontes de energia renováveis ​​e ecológicas1. Nessa condição, muitas tecnologias de baterias recarregáveis ​​estão presentes, como as tradicionais baterias de chumbo-ácido (baseadas em reações de conversão) e baterias de íon-lítio (de acordo com diferentes processos, especialmente intercalação)2. As limitações inerentes a esses sistemas impedem suas aplicações em armazenamento de energia em larga escala, densidade limitada de energia, baixa eficiência de carga/descarga, autodescarga, baixa eficiência coulômbica e ameaça ambiental3,4,5.

Nos últimos anos, uma série de "Baterias Aquosas Recarregáveis" (ARBs) foram inventadas6. Esses ARBs são operados com base na intercalação/armazenamento eletroquímico camada por camada de algumas espécies iônicas como Na+, K+, Mg2+ e Zn2+ do eletrólito aquoso na estrutura do eletrodo6,7,8,9. Essas baterias têm sido consideradas uma fonte de energia promissora devido à sua segurança inerente, maior condutividade iônica, abundância de materiais e proteção ambiental6,7,8,9. Entre os ARBs, as baterias de íons de zinco (ARZIBs) provaram ser os sistemas de armazenamento de energia mais ecológicos, pois usam zinco como ânodo. As baterias de íons de zinco receberam amplo interesse com base na característica multivalente que está amplamente disponível na crosta terrestre, eletrólito aquoso não tóxico, de baixo custo, segurança e ciclo de vida longo10,11,12. Muitos compostos com estruturas do tipo túnel e tipo camada permitem a inserção/extração dos íons Zn2+ em/de seus hospedeiros devido aos pequenos raios iônicos do Zn2+ (0,74 Å)13. Nesses sistemas, o grupo de "Feiyu Kang" mostrou pela primeira vez que a inserção reversível do íon Zn na estrutura do túnel do hospedeiro MnO2 do tipo α foi adotada como cátodo em um ZIB14.

O MnO2 tem sido amplamente investigado como material de eletrodo para aplicações tanto em supercapacitores quanto em baterias, devido à sua disponibilidade abundante, baixo custo e ecologicamente correto15. Este composto possui várias formas cristalográficas diferentes, como α, β, γ, δ, λ e tipo ramsdelita15, 16.

Deve-se considerar que o ZIB aquoso apresenta grandes desafios de implantação. Esses testes consistem principalmente em i) baixa estabilidade química e estabilidade eletroquímica do eletrólito e ii) formação de dendritos de zinco durante o ciclo, corrosão, passivação e "Reação de Evolução de Hidrogênio" (HER). Isso se reflete principalmente nas restritas janelas de tensão, capacidade e estabilidade das ZIBs. Esses desafios também são considerados como os principais fatores, limitando a densidade de energia, a reciclabilidade da bateria e a decomposição dos eletrólitos, o que pode causar perigo de deformação e inchaço da bateria.17,18,19.