Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

El almacenamiento de energía es la columna vertebral silenciosa de un mundo moderno impulsado por el sol y el viento. Cuando el sol brilla o el viento sopla, la electricidad debe capturarse y guardarse para su uso posterior, una tarea que actualmente está dominada por las baterías de iones de litio. Si bien estas baterías alimentan nuestros teléfonos y coches, dependen de materiales que son costosos de extraer y que a menudo involucran líquidos inflamables que pueden incendiarse. Por ello, los científicos buscan alternativas más seguras y económicas que puedan manejar la escala masiva necesaria para alimentar ciudades enteras. Un candidato prometedor es la batería de iones de zinc acuosa. Estos dispositivos utilizan líquidos a base de agua para mover la energía, lo que los hace inherentemente más seguros y fabricados con materiales abundantes y de bajo costo. Sin embargo, como un árbol joven que crece demasiado rápido, el zinc dentro de estas baterías tiende a formar picos afilados y similares a agujas llamados dendritas. Estos picos pueden perforar la barrera entre los lados positivo y negativo de la batería, causando que la batería falle o sufra un cortocircuito. Para que estas baterías duren lo suficiente como para ser útiles, los investigadores deben encontrar una manera de evitar que estos picos crezcan y mantener intacta la estructura interna de la batería.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Xinjiang y la Universidad de Tianjin ha desarrollado una nueva barrera, o separador, diseñado específicamente para resolver este problema. En lugar de utilizar plásticos sintéticos o fibras de vidrio, recurrieron a la naturaleza, creando un separador hecho enteramente de algodón. Combinaron dos formas de celulosa, el componente estructural principal de las paredes celulares de las plantas: pulpa de algodón y celulosa microfibrilada. La pulpa de algodón proporciona fibras largas a escala micrométrica, mientras que la celulosa microfibrilada consiste en diminutos filamentos a escala nanométrica. Al mezclar estos dos materiales y filtrarlos a través de un vacío, los investigadores crearon una manta densa y entrelazada. Esta manta presenta una estructura jerárquica, lo que significa que tiene poros de diferentes tamaños que trabajan en conjunto. Los poros más grandes permiten que el electrolito líquido fluya rápidamente, mientras que la red densa de fibras diminutas actúa como un fuerte escudo contra los crecientes picos de zinc.

Los resultados de este enfoque fueron medidos en el laboratorio con una precisión impresionante. El nuevo separador basado en algodón demostró ser notablemente fuerte, con una resistencia a la tracción de 23,36 megapascales, superando con creces los 0,2 megapascales de los separadores estándar de fibra de vidrio que se utilizan actualmente. Esta fuerza es crucial porque evita que el separador se rompa durante el ensamblaje de la batería o cuando los picos de zinc intentan atravesarlo. El material también absorbió eficientemente el electrolito líquido de la batería y permitió que los iones de zinc se movieran a través de él sin problemas. Cuando los investigadores probaron la capacidad de la batería para cargarse y descargarse repetidamente, la diferencia fue evidente. Una batería equipada con el nuevo separador de algodón funcionó durante más de 1.200 horas a una corriente constante, mientras que una batería con el separador estándar de fibra de vidrio falló después de solo 400 horas. Incluso bajo condiciones más exigentes, donde se le pidió a la batería que almacenara una gran cantidad de energía en un espacio pequeño, el separador de algodón permitió que la batería operara durante más de 200 horas sin fallar, mientras que la versión de fibra de vidrio sufrió un cortocircuito en menos de 100 horas.

Al observar más de cerca las baterías después de las pruebas, se reveló por qué el separador de algodón funcionó tan bien. En las baterías con el separador estándar de fibra de vidrio, el metal de zinc creció en picos rugosos e irregulares que dañaron el separador y crearon una superficie desordenada. En contraste, las baterías con el separador de algodón mostraron una capa de zinc suave y plana, lo que indica que el metal se estaba depositando de manera uniforme en lugar de formar picos peligrosos. El material de algodón también ayudó a reducir la formación de subproductos químicos no deseados que pueden obstruir la batería. Cuando los investigadores construyeron una batería completa utilizando un material basado en vanadio para el lado positivo, el separador de algodón ayudó a la batería a retener aproximadamente el 83 por ciento de su capacidad después de 100 ciclos, mientras que el separador estándar permitió que la capacidad cayera a solo el 17 por ciento. Incluso después de 1.200 ciclos a alta velocidad, la batería con el separador de algodón todavía mantenía una capacidad específica de 92,4 miliamperios-hora por gramo.

Este trabajo sugiere que un material simple y biodegradable hecho de algodón puede superar a las alternativas sintéticas complejas en el entorno hostil de una batería metálica. Los investigadores descubrieron que la combinación de fibras largas y nanofibras diminutas creó una estructura que era lo suficientemente fuerte para bloquear los picos y lo suficientemente porosa para dejar fluir la energía. Si bien el artículo señala que se necesita una mayor optimización para la carga de muy alta velocidad, los hallazgos ofrecen un camino claro a seguir. Al utilizar un recurso renovable que ya es abundante y barato, este enfoque proporciona una forma sostenible de construir baterías más seguras y duraderas para el futuro del almacenamiento de energía.