Synthesis of zinc-oxide nanostructures for rechargeable zinc battery anodes

Zinc anode stability issues upon reversible cycling impedes the successful development and commercialization of electrically rechargeable zinc-air batteries (ZABs). One of the main drawbacks in alkaline electrolytes (most widely used with ZABs) is ZnO passivation and 〖Zn(OH)〗_4^(2-) dissolution. Herein, this work focuses on synthesizing, in a green and scalable way, and characterizing zinc-oxide (ZnO) nanostructures that can solve the issues of passivation, dissolution, shape-change, and hydrogen evolution simultaneously. In particular, 3 different routes have been chosen: nanostructures of ZnO, in-situ growth of ZnO nanorods on conductive carbon-cloth (CC) (named as ZnO-CC anode), and synthesis of coated nanoparticles (ZnO@C). The nanosized ZnO prevents passivation while microporous carbon shell and network-derived microstructure on CC slow down Zn species dissolution. As a result, ZnO@C appears to operate significantly better than the ZnO nanoparticles without coating, while being comparable to in-situ growth on CC. Preliminary electrochemical tests show how the ZnO@C and ZnO-CC maintain the capacity after long cycling sessions. This performance is achieved in harsh yet practical conditions: alkaline electrolyte without ZnO saturation, and therefore it represents an important improvement towards rechargeable ZABs.

I problemi di stabilità all'anodo di zinco durante il ciclaggio frenano lo sviluppo e la commercializzazione delle batterie zinco-aria (ZAB). Uno dei principali inconvenienti degli elettroliti alcalini è la passivazione dello ZnO e la dissoluzione dello 〖Zn(OH)〗_4^(2-). Questo lavoro si concentra sulla sintesi di nanostrutture di ossido di zinco (ZnO), in modo ecologico e scalabile, e sulla caratterizzazione di nanostrutture in grado di risolvere contemporaneamente i problemi di passivazione, dissoluzione, cambiamento di forma ed evoluzione dell'idrogeno. In particolare, sono stati scelti tre diversi percorsi: nanostrutture di ZnO, crescita in situ di nanorods di ZnO su tessuto di carbonio conduttivo (CC) (denominato anodo ZnO-CC) e sintesi di nanoparticelle rivestite (ZnO@C). Lo ZnO nanometrico impedisce la passivazione, mentre il guscio di carbonio microporoso e la microstruttura a rete del CC aiutano a rallentare la dissoluzione delle specie di Zn. Come risultato lo ZnO@C sembra funzionare significativamente meglio dello ZnO senza rivestimento, mentre risulta paragonabile alla crescita in situ su CC. I test elettrochimici preliminari mostrano come ZnO@C e ZnO-CC mantengano la capacità dopo un lungo periodo di riposo. Queste prestazioni sono state ottenute in condizioni difficili ma pratiche: elettrolita alcalino senza saturazione di ZnO, e rappresentano quindi un importante miglioramento verso le ZAB ricaricabili.