Nanodiamond-doped biopolymer electrolytes for enhanced performance in zinc-air batteries

Abstract

Los hidrogeles de biopolímeros dopados con nanodiamantes presentan un enfoque prometedor para mejorar el rendimiento de las pilas de zinc-aire (ZAB). En este estudio se sintetizaron y caracterizaron membranas de carboximetilcelulosa-quitosano (CMC-CS) dopadas con porcentajes variables de nanodiamantes (NDs) para investigar la conductividad iónica, la estabilidad electroquímica y el rendimiento en prototipos de ZAB. Las pruebas se realizaron tanto con un set de membranas secas como con un set de membranas hidratadas en una solución 12M KOH durante 48h. Las membranas hidratadas fueron etiquetadas con "Sw". Los resultados de la voltametría cíclica revelaron que la membrana 1,0% de NDs Sw presentaba picos de corriente superiores a 350 mA cm-2, lo que confirmó su estabilidad durante 40 ciclos. Las pruebas de batería demostraron que las membranas dopadas con NDs presentan valores de resistencia aparente comparables a los de las membranas sin dopar. También se demostró que la membrana con 1,0% de NDs Sw alcanza una densidad de potencia máxima de 100,11 mW cm-2, superior a la de la membrana sin dopar. La membrana al 0,5% de NDs Sw proporcionó una tensión de descarga estable durante 12 horas, dando lugar a una capacitancia específica de 1693,2 mA h g-1. Además, la membrana con 1,0% de NDs mantuvo la estabilidad durante 120 ciclos, lo que demuestra la contribución de los nanodiamantes a la ciclicidad de la batería. Los análisis XRD y SEM en los electrodos de Zn confirmaron la formación de ZnO durante la descarga, causando una disminución en la eficiencia. Estos resultados demuestran el potencial de los hidrogeles de biopolímeros dopados con nanodiamantes como electrolitos sostenibles para las ZAB, con una conductividad, estabilidad y ciclicidad mejoradas en relación a aquellas sin dopar. Este trabajo pone sus esfuerzos en el desarrollo de materiales ecológicos y de alto rendimiento para dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación.