Electrochemical evaluation of silver - fullerenes nanocomposites as catalysts for electrodes in flexible zinc - air batteries

Abstract

Metal-air batteries are characterized by a high energy density with relatively simple and safe chemistry which makes them suitable for many applications, especially the ones requiring flexibility. These energy storage devices consist of one metal electrode, an air electrode, which enhance the oxygen evolution and oxygen reduction reactions (OER and ORR, respectively), and an electrolyte. The air electrode is lighter than most metal electrodes present in batteries; therefore, these batteries have a high energy density. However, the most critical problem this technology faces involves the air electrode design, especially because of the requirement of a bifunctional catalyst for both OER and ORR. Here, the enhancement of the catalytic activity of silver nanoparticles impregnated on carbon nanotubes (CNT) for OER and ORR using polyhydroxy fullerene (PHF) is discussed, as well as the methodology needed for an experimental demonstration of this hypothesis. The electrochemical tests demonstrated that silver nanoparticles from 60 nm to 70 nm were successfully impregnated over the CNT buckypapers and the electrode was stable over several cycles. The nanocomposite Ag-PHF was also successfully impregnated, but the electrode was not as stable as the electrode with only Ag nanoparticles. However, the higher current achieved by the Ag-PHF electrode confirmed the hypothesis that the presence of PHF enhances the catalytic activity of silver nanoparticles. The implications of our findings in the improvement of materials for Zn-air batteries is discussed. This study contributes to the worldwide efforts of the scientific community to develop flexible, small and light batteries and may be a starting point in the use of PHF for this application.

Las baterías de metal-aire se caracterizan por su alta densidad energética y una composición química segura y sencilla. Estas características las hacen apropiadas para diversas aplicaciones, especialmente aquellas que demandan flexibilidad. Estos dispositivos de almacenamiento de energía consisten en un electrodo de metal, un electrodo de aire que permite la reducción y evolución de oxígeno (ORR y OER, respectivamente), y un electrolito. El electrodo de aire es más liviano que la mayoría de electrodos metálicos usados en baterías convencionales, lo cual resulta en una alta densidad energética. Sin embargo, el problema más importante que enfrenta esta tecnología es el diseño de este electrodo, especialmente porque se requiere un catalizador que pueda favorecer ambas reacciones (ORR y OER). En el presente estudio,se discute la mejora de la actividad catalítica de nanopartículas de plata impregnadas sobre nanotubos de carbono (CNT) para OER y ORR mediante el uso de fullerenos hidroxilos (PHF). También, se presenta la metodología requerida para la demostración experimental de esta hipótesis. Las pruebas electroquímicas demostraron que las nanopartículas de plata (60 nm - 70 nm) fueron impregnadas satisfactoriamente sobre CNT y el electrodo fue estable a través de varios ciclos. El nanocomposito Ag-PHF también fue impregnado satisfactoriamente, pero la estabilidad de este electrodo no se equiparó con el Ag-PHF. Sin embargo, la corriente que alcanzó fue mayor. Esto confirma que la presencia de PHF mejora la actividad catalítica de las nanopartículas de plata. Adicionalmente, se discuten las implicancias de nuestros descubrimientos en la mejora de los materiales para las baterías de Zn-aire. Este estudio contribuye a los esfuerzos de la comunidad científica para desarrollar baterías flexibles, pequeñas y livianas. Además, es el inicio del uso de PHF para esta aplicación.