- El nuevo catalizador hace que las baterías de zinc-aire sean recargables, superando el obstáculo técnico.
- La autonomía continua de las baterías de zinc-aire recargables puede alcanzar las 300 horas.
- Las baterías de zinc-aire superan a las de iones de litio en coste y seguridad.
- Las baterías de zinc-aire son adecuadas para el almacenamiento de energía en redes fijas y el transporte pesado.
Los químicos han desvelado un secreto que podría convertir a las baterías de zinc-aire en la fuente de energía recargable definitiva. Investigadores de la Technische Universität Darmstadt han desarrollado un material compuesto multifuncional destinado a hacer realidad la tecnología de baterías de zinc-aire recargables. Hacer que estas baterías sean recargables ha sido una tarea extremadamente desafiante, ya que controlar las complejas reacciones químicas internas de la batería es el principal obstáculo técnico. Para resolver este problema, el equipo de investigación liderado por el profesor Jörg Schneider ha presentado un nuevo material compuesto de hierro, níquel y carbono capaz de estabilizar esos procesos internos.
Curiosamente, este avance permite que las baterías de zinc-aire recargables alcancen una autonomía continua de 300 horas. El equipo afirma: «Las baterías secundarias de zinc-aire ensambladas pueden ciclar más de 300 horas en pruebas de carga y descarga a corriente constante».
Desarrollo del nuevo catalizador
Las baterías de zinc-aire con catalizadores híbridos de alta eficiencia han operado discretamente, principalmente en productos desechables como audífonos. Estas baterías pueden almacenar hasta cinco veces la energía de las de iones de litio, pero debido a la casi imposibilidad de controlar sus complejas reacciones químicas internas durante la carga, siempre han sido de un solo uso. El equipo de investigación resolvió este problema fijando firmemente nanopartículas de espinel (compuestas de hierro, níquel y oxígeno) sobre un material de carbono dopado con nitrógeno y fósforo. La espinel se utiliza ampliamente en ciencia de materiales e ingeniería eléctrica por sus propiedades únicas. Este nuevo material aprovecha esas propiedades electroquímicas especializadas para actuar como catalizador interno de larga duración.
En una etapa temprana, el óxido de níquel-hierro servía como material base del catalizador diseñado para impulsar la reacción de oxígeno interna de las baterías de zinc-aire recargables. Sin embargo, estos catalizadores enfrentaban los retos de una baja actividad química y una pobre estabilidad, lo que limitaba su aplicación en baterías de zinc-aire recargables. Para solucionarlo, los investigadores crearon un catalizador híbrido que envuelve diminutos cubos de óxido de níquel-hierro en una capa de carbono nanoestructurado dopado con nitrógeno y fósforo. Esta cubierta de carbono proporciona un rápido transporte de electrones y masa, al tiempo que genera numerosos sitios de reacción activos. La estructura también protege las partículas de óxido de hierro de la agregación o disolución, haciendo que el catalizador sea más duradero y eficaz.
Este catalizador, que sustituye a las baterías de litio, muestra un rendimiento electroquímico impresionante, con un potencial de media onda de hasta 0,79 V, una baja pendiente de Tafel de 56,5 mV/dec y una eficiente vía de reducción de oxígeno de cuatro electrones. Al probarse en la celda completa de zinc-aire, su densidad de potencia máxima alcanza 54 mW/cm², casi el doble del referencia de 28 mW/cm² de los catalizadores estándar de platino. En pruebas de laboratorio, el catalizador logra hasta 300 horas de operación continua al estabilizar el «punto triple» —la interacción entre el catalizador sólido, el electrolito líquido y el oxígeno ambiental.
Así, el material mantiene las condiciones químicas estables necesarias para un funcionamiento fiable de la batería a largo plazo.
Ventajas de las baterías de zinc-aire
La tecnología de zinc-aire presenta ventajas significativas frente a los sistemas de iones de litio en coste, seguridad y escalabilidad. El litio, el cobalto y el níquel enfrentan graves problemas de cadena de suministro, mientras que materiales como el zinc, el hierro y el carbono son abundantes y económicos a nivel mundial. Además, las baterías de zinc-aire emplean electrolitos acuosos no inflamables, eliminando el riesgo de incendios por descontrol térmico asociado a las de iones de litio. Aunque su densidad de potencia moderada las hace menos adecuadas para dispositivos electrónicos de consumo de carga rápida, su alta densidad de energía las hace ideales para el almacenamiento energético en redes fijas que respaldan la solar y la eólica. En última instancia, las baterías de zinc-aire a gran escala también podrían convertirse en fuentes de energía eficientes de largo alcance para el transporte pesado y los vehículos eléctricos.
Ítem Especificación Potencial de media onda 0.79 V Pendiente de Tafel 56.5 mV/dec Densidad de potencia máxima 54 mW/cm² Densidad de potencia de referencia 28 mW/cm² Tiempo de operación continua 300 小時
Potencial futuro de las baterías de zinc-aire
El avance de la tecnología de baterías de zinc-aire podría transformar el almacenamiento de energías renovables. Estas baterías no solo superan a las de iones de litio en densidad energética, sino que también ofrecen ventajas en la disponibilidad de materiales y en seguridad. A medida que crece la demanda de energía sostenible, el ámbito de aplicación de las baterías de zinc-aire podría extenderse al almacenamiento en redes fijas y al transporte pesado, lo que resulta crucial para la futura transición energética. El diseño innovador del catalizador por parte de los investigadores hace posible un funcionamiento estable a largo plazo, lo que impulsará aún más la comercialización de las baterías de zinc-aire.