Desarrollo de baterías secundarias de zinc-aire con electrolitos acuosos alternativos
- Autores: Elena Iruin Amatriain
- Directores de la Tesis: Jose Alberto Blazquez Martin (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pere Lluis Cabot Juliá (presid.), Gonzalo Guirado (secret.), Eneko Azaceta Muñoz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia de Materiales por la Universidad Autónoma de Barcelona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Las baterías secundarias de zinc-aire son una tecnología prometedora debido a su elevada capacidad, reducido coste y baja toxicidad. Sin embargo, esta tecnología presenta ciertas limitaciones que deben ser superadas para su desarrollo y comercialización. Gran parte de estas limitaciones están ligadas a la naturaleza acuosa alcalina del sistema electrolítico. Por ello, recientemente, se ha propuesto la sustitución del electrolito acuoso alcalino tradicional por sistemas electrolíticos acuosos "casi neutros" (pH comprendido entre 4 y 8) basados en ZnCl2, NH4Cl y NH4OH. Debido a la escasez de publicaciones relativas a esta novedosa estrategia, el objetivo principal de esta Tesis se ha centrado en sentar las bases de esta propuesta a través del estudio de cada uno de los componentes de las baterías de zinc-aire: el sistema electrolítico, el electrodo bifuncional de aire y el ánodo de zinc.
En primer lugar, se llevó a cabo un estudio sistemático de distintas formulaciones electrolíticas determinando la influencia de cada componente del electrolito en propiedades como la solubilidad, la conductividad iónica o la naturaleza de las especies precipitadas durante la descarga de la batería. Teniendo en cuenta el conjunto de esas propiedades, se seleccionaron dos formulaciones electrolíticas para el subsiguiente desarrollo de los electrodos para la batería de zinc-aire: una descrita en el estado del arte (a pH 4) y otra (a pH 8) analizada experimentalmente por primera vez en este trabajo, y que había sido propuesta teóricamente en la literatura.
El electrodo bifuncional de aire fue desarrollado y optimizado a través de una caracterización fisicoquímica y electroquímica realizada a distintos agentes conductores basados en materiales carbonosos y a distintos catalizadores bifuncionales de aire basados en óxidos de manganeso. Los resultados muestran un reducido sobrepotencial de la batería de zinc-aire mediante el uso de nanotubos de carbono (CNT) como agente conductor para los dos sistemas electrolíticos, consecuencia de la mayor área superficial y porosidad observadas en el análisis fisicoquímico realizado.
Seleccionado el agente conductor adecuado (los CNT), se evaluó la actividad catalítica del electrodo con distintos catalizadores (γ-MnO2, α-MnO2 y Mn2O3), comprobando que los óxidos de manganeso estudiados no contribuyen en la actividad catalítica del electrolito pH4, siendo el agente conductor (CNT) el que actúa como catalizador. En cambio, en el electrolito pH8, la incorporación de un 20% de γ-MnO2 mejoró las propiedades catalíticas del electrodo, por lo que dicha formulación fue seleccionada para el subsiguiente desarrollo. Las celdas de zinc-aire analizadas con el electrodo optimizado demostraron, por un lado, una estabilidad superior a 400 horas para ambos electrolitos y, por otro, diversas ventajas al utilizar el electrolito pH8: un menor sobrepotencial, la posibilidad de evitar la disolución de manganeso y la estabilidad del pH durante el funcionamiento de la batería.
El uso de materiales de zinc en polvo permite preparar ánodos tridimensionales que faciliten la accesibilidad del electrolito en su estructura y, además, seleccionar el material activo de zinc que mejores prestaciones presente. En este contexto, se analizaron distintas aleaciones de zinc y se seleccionó el material con menor corrosión y mayor eficiencia en los electrolitos pH4 y pH8 para llevar a cabo la preparación de pastillas porosas de zinc. La pastilla de Zn denominada GR con un 30% de agente porógeno permitió reducir la corrosión anódica y mantener un bajo sobrepotencial de la batería a mayores densidades de corriente. Finalmente, se incorporaron los tres componentes de la celda optimizados en esta Tesis en una celda completa de zinc-aire, consiguiendo más de 40 Wh kg-1EBA+Zn (10 Wh kg-1CeldaCompleta), lo cual sienta las bases para el desarrollo de baterías secundarias de zinc-aire con electrolitos acuosos "casi neutros".
