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Vistas:2361 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2026-11-09 Origen:Sitio
Los tensioactivos pueden modificar la morfología cristalina de los óxidos metálicos, inhibir la evolución de hidrógeno, suprimir el crecimiento de dendritas, reducir la corrosión y retrasar la pasivación de los electrodos. Las emulsiones preparadas con tensioactivos pueden funcionar como 'microrreactores' y evitar la aglomeración de nanopartículas.
Este artículo revisa el progreso de la investigación sobre el uso de surfactantes en la preparación de materiales de baterías y el reciclaje de baterías gastadas. Con el agotamiento de los recursos energéticos globales y la degradación ambiental, el desarrollo de nuevas energías ecológicas ha atraído una atención generalizada, donde los nuevos materiales energéticos desempeñan un papel esencial de orientación y apoyo. Los materiales de las baterías abarcan principalmente cátodos, ánodos, electrolitos y separadores, que son componentes críticos para el almacenamiento y suministro de energía eléctrica.
Actualmente, los materiales de las baterías tienden a alcanzar dimensiones a nanoescala. Los nanomateriales presentan morfologías microscópicas únicas, alta capacidad de intercalación de litio, alta densidad de energía y un ciclo de vida prolongado. Sin embargo, los desafíos críticos, como controlar la aglomeración y el tamaño de las nanopartículas, mejorar el área de contacto limitada entre los materiales de los electrodos y los electrolitos y mejorar la inhibición de la corrosión de los electrolitos, requieren el uso de tensioactivos.
Las moléculas de tensioactivos constan de grupos hidrófobos e hidrófilos. En solución, pueden autoensamblarse en agregados ordenados como micelas, micelas inversas y vesículas, que sirven como 'microrreactores' para preparar nanopartículas. Los tensioactivos también pueden inducir la alineación direccional en los portadores, evitando la aglomeración de nanopartículas, controlando el tamaño de las partículas y mejorando el rendimiento electroquímico de los electrodos. Los tensioactivos han demostrado una utilidad vital en la fabricación de catalizadores de baterías, la síntesis de materiales para electrodos, la actuación como inhibidores de la corrosión y el reciclaje de baterías gastadas.
Los tensioactivos desempeñan un papel importante en la fabricación de catalizadores para pilas de combustible de membranas de intercambio iónico, principalmente mediante métodos de microemulsión. Los sistemas de microemulsión se dividen en sistemas micelares normales y micelares inversos:
Sistemas normales de microemulsión micelar : Sus principales inconvenientes son la dificultad para separar y purificar las partículas de la microemulsión y el elevado consumo de reactivos durante el procesamiento.
Método micelar inverso : cuando se utiliza para preparar electrocatalizadores para pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), las partículas sintetizadas mediante este método son menos propensas a la aglomeración, exhiben un tamaño controlable y ofrecen una buena dispersabilidad en comparación con otras rutas químicas. Con equipos y requisitos de procesamiento simples, es un método prometedor para la preparación de nanopartículas.
Las principales funciones de los tensioactivos en la preparación de nanopartículas mediante el método de micelas inversas incluyen:
Formar sistemas de micelas inversas para controlar las dimensiones de las partículas;
Reducir la aglomeración de partículas;
Controlar la forma de las partículas, la morfología de los cristales y las propiedades relacionadas.
Los tensioactivos que se utilizan actualmente en la preparación de materiales para electrodos incluyen principalmente CTAB, 2-etilhexilsulfosuccinato de sodio, etoxilato de nonilfenol (NPE), copolímero tribloque de óxido de etileno (EO) y óxido de propileno (PO) EO100PO70EO100, P123 (EO20PO70EO20 EO 20PO 70EO 20) , PEO600, Tween-80, Span, Triton. X-100, monooleato de sorbitán, SDBS, SDS, ciclohexano, sales de fluoroalquilamonio cuaternario, ácido oleico y 4-estirenosulfonato de sodio.
Las técnicas de preparación comunes incluyen transferencia de fase, precipitación, autoensamblaje, creación de plantillas y métodos sol-gel.
Utilizando SDBS, CTAB, Triton X-100 y Brij56 [C16H33(OCH2CH2)8H C 16H 33( OCH 2CH 2) 8 H ], se puede sintetizar 2MnO2 MnO con diferentes estructuras y propiedades electroquímicas:
MnO2 MnO 2 preparado con SDBS como plantilla dificulta el rendimiento del ciclo de la batería;
CTAB sólo mejora ligeramente el rendimiento ciclista;
Triton X-100 proporciona una capacidad de descarga y estabilidad de ciclo favorables;
El uso de Brij56 como aditivo de electrolitos en la electrodeposición produce materiales catódicos de MnO2 MnO a nanoescala 2 con excelente rendimiento cíclico y alta capacidad de descarga.
Se pueden aplicar P123, 4-estirenosulfonato de sodio, CTAB y una mezcla fundida de ácido oleico/queroseno para preparar materiales catódicos de baterías de litio:
Plantilla P123 : Los electrodos LiCoO2 LiCoO 2 preparados mediante el método sol-gel exhiben un buen rendimiento cíclico con un procesamiento simple y bajo costo.
Plantilla de 4-estirenosulfonato de sodio : el uso de FeCl3 FeCl 3 como oxidante produce un material compuesto de azufre-polipirrol (S-PPy). Cuando se utiliza como cátodo en baterías Li/S-PPy, la capacidad de descarga y el rendimiento del ciclo mejoran significativamente.
Plantilla CTAB : Los materiales del cátodo LiFePO4 LiFePO preparados hidrotermalmente 4 muestran una mayor capacidad de descarga, un costo reducido y una menor toxicidad.
Mezcla fundida de ácido oleico y queroseno : LiFePO4 LiFePO 4 combinado con un compuesto de TiO2 TiO 2/ grafito a nanoescala forma un electrodo compuesto de LiFePO4/TiO2 LiFePO 4/ TiO 2 . En comparación con las baterías de litio convencionales, presenta una menor densidad de energía pero prácticamente no pierde capacidad durante 700 ciclos, logra una eficiencia actual de hasta el 100 % y ofrece durabilidad, bajo costo y alta seguridad.
Estos resultados indican que los tensioactivos desempeñan un papel importante en la preparación de materiales catódicos, y el sistema tensioactivo de mezcla fundida de ácido oleico y queroseno produce un rendimiento de electrodo compuesto de LiFePO4/TiO2 LiFePO 4/ TiO particularmente fuerte 2 .
Los tensioactivos no sólo controlan el tamaño de las partículas y promueven la disposición ordenada de los cristales, sino que también regulan la porosidad, mejorando así las propiedades eléctricas de los electrodos resultantes:
Ulagappan et al. Sintetizó por primera vez materiales mesoporosos a base de estaño (diámetro de poro de 3,2 nm) utilizando el tensioactivo catiónico 2-etilhexilsulfosuccinato de sodio como plantilla.
Las superficies de CuO CuO modificadas por el tensioactivo CTAB exhiben una estructura cristalina ordenada en forma de aguja, lo que aumenta el área de contacto entre CuO CuO y el electrolito. Ajustar la dosis de CTAB puede controlar la porosidad de los materiales de fosfato de estaño y mejorar el rendimiento del ciclo de la batería.
Los tensioactivos compuestos proporcionan efectos sinérgicos de inhibición de la corrosión. El control de las dimensiones de las partículas de Cu-Sn mediante las proporciones de Triton X-100 y n-hexanol produce nanopartículas de Cu-Sn que, cuando se ensamblan en ánodos de baterías de iones de litio, exhiben una mayor capacidad de ciclo y una capacidad específica reversible.
La combinación de tensioactivos no iónicos que contienen grupos polioxietileno con aditivos de hidróxido de indio suprime significativamente la autodescarga de la batería al tiempo que mejora el rendimiento electroquímico de las baterías alcalinas recargables de zinc-manganeso.
Los compuestos de dióxido de estaño/carbono a nanoescala y los compuestos de óxido/carbono a base de estaño preparados en una solución de etanol P123 exhiben un rendimiento cíclico superior en comparación con los materiales convencionales a base de estaño a nanoescala cuando se usan como ánodos de baterías de iones de litio.
La autodescarga del electrodo de zinc en las baterías alcalinas de zinc-manganeso es un factor importante que limita la vida útil de la batería. Tradicionalmente, se utilizaba mercurio o sales mercúricas para suprimir la autodescarga. Sin embargo, el mercurio es altamente tóxico, peligroso para el medio ambiente y acelera la deformación de los electrodos de zinc. En consecuencia, eliminar o reemplazar el mercurio tóxico es esencial.
Las iniciativas actuales sin mercurio en baterías alcalinas de zinc-manganeso se centran en dos enfoques: agregar inhibidores de corrosión al electrolito o incorporarlos directamente en el ánodo de zinc. Los aditivos evaluados incluyen inhibidores inorgánicos e inhibidores orgánicos que reemplazan al mercurio, mientras que las alternativas orgánicas consisten principalmente en tensioactivos anticorrosivos:
Una evaluación de 6 tensioactivos con diferentes cadenas hidrofílicas con respecto a su desempeño de inhibición sobre zinc en solución de KOH mostró que el fosfato de decil (octa) oxietileno éter de potasio redujo la evolución de hidrógeno en polvo de zinc en un 70,6%, logrando una eficiencia de inhibición del 78,7%.
Debido a que los aditivos individuales rara vez ofrecen mejoras electroquímicas generales significativas, la investigación se centra en mezclas de tensioactivos de alta eficiencia:
La comparación de los aditivos orgánicos YLZX (bromuro de alquiltrimetilamonio con cadenas 12de alquilo C12-C16 C 16-- C ), YZ (una mezcla de etoxilato de alquilfenol y sulfato de alquiletoxi con cadenas de alquilo C10-C17 C 10-- C 17 ) , etoxilato de alcohol laurílico mezclado con sulfato de alquiletoxi, PEO400, SDS y Tween-20 mostraron que YLZX e YZ inhiben notablemente la evolución de hidrógeno y la formación de dendritas sin comprometer el rendimiento de descarga del electrodo de zinc.
El sistema compuesto SDBS y Tween-20 exhibe una excelente inhibición de la corrosión, pasivación retardada y una sinergia clara, lo que aumenta significativamente la capacidad de descarga del electrodo de zinc y logra una eficiencia de inhibición del 83,26 % en proporciones de mezcla óptimas.
Si bien la mayoría de los estudios se centran en agregar inhibidores a los electrolitos, pocos investigan las adiciones directamente a los materiales de los electrodos. Los estudios actuales sobre la adición de SDBS y CTAB al polvo de zinc muestran que la adición simultánea mejora la eficiencia de carga y descarga de la batería, la retención de capacidad y el ciclo de vida. Sin embargo, aunque los inhibidores orgánicos añadidos al ánodo reducen la autodescarga en las baterías de zinc-níquel, todavía no cumplen plenamente los requisitos comerciales.
Los tensioactivos forman emulsiones que mejoran la tasa de transporte de metales específicos:
Se utilizó una membrana líquida en emulsión compuesta de queroseno, tensioactivo (Span-80), portador y amoníaco acuoso interno para separar y concentrar iones de cadmio de baterías de níquel-cadmio gastadas. En un experimento de ampliación de escala en un reactor de 100 L, la tasa de migración de cadmio alcanzó el 93,3 %, mientras que la migración de níquel fue solo del 14,6 %, logrando una separación efectiva de los iones de cadmio y níquel.
Los tensioactivos también pueden reducir la energía de activación de las reacciones interfaciales entre el carbono y el óxido de manganeso, lo que afecta significativamente las tasas de reducción. Después de clasificar, triturar y tamizar las baterías gastadas, el dióxido de manganeso se peletiza con un reductor de carbono, se sinteriza y se reduce en un horno de inducción para producir acero al manganeso. Los resultados experimentales indican que este proceso se puede aplicar directamente en la producción de acero fundido para procesar baterías gastadas.
Los tensioactivos cumplen funciones vitales en los sistemas de baterías: modifican la morfología cristalina de los óxidos metálicos, inhiben la evolución de hidrógeno y el crecimiento de dendritas, inhiben la corrosión y forman emulsiones que actúan como "microrreactores" para evitar la aglomeración. Los tensioactivos utilizados incluyen tensioactivos aniónicos, catiónicos, no iónicos y especiales en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, baterías de iones de litio, alcalinas de zinc-manganeso, zinc-aire y níquel-cadmio. El electrodo compuesto preparado usando un sistema tensioactivo de mezcla fundida de ácido oleico y queroseno representa una ruta favorable. Los ánodos de nanobaterías de iones de litio preparados a partir de soluciones de etanol que contienen P123 muestran un rendimiento cíclico superior, aunque persisten desafíos técnicos.
Aunque los tensioactivos mejoran el rendimiento del ciclo de los electrodos y la eficiencia de carga y descarga, aún quedan lagunas antes de una implementación práctica completa; por ejemplo, la eficiencia de carga y descarga de muchos electrodos no supera el 99,5%. En el reciclaje de baterías, la utilización de tensioactivos sigue siendo limitada. Los surfactantes pueden actuar inherentemente como recolectores, depresores y espumantes, lo que significa que las técnicas de flotación son completamente viables para la separación de metales durante el reciclaje de baterías, un área donde los surfactantes podrían desempeñar un papel más importante.
Además, los estudios existentes se basan en gran medida en tensioactivos convencionales con costos relativamente altos, mientras que la investigación sobre nuevos tensioactivos sigue siendo insuficiente. El rendimiento electroquímico de nuevos policarboxilatos, a base de naftaleno y biosurfactantes con fuertes características de dispersión en materiales de baterías sigue en gran medida inexplorado.
