Una nueva batería de zinc-aire supera las 300 horas de funcionamiento y apunta a una alternativa al litio

Las baterías de zinc-aire llevan años siendo una alternativa interesante por su capacidad para almacenar energía y por utilizar materiales relativamente abundantes. Sin embargo, hay un obstáculo que ha limitado su desarrollo: conseguir que puedan recargarse de forma eficiente y mantener sus prestaciones después de numerosos ciclos sigue siendo un reto para los investigadores.

Un equipo de químicos de la Universidad Técnica de Darmstadt, en Alemania, ha desarrollado un nuevo material que podría ayudar a superar esta barrera. La investigación se centra en mejorar las reacciones químicas que tienen lugar dentro de estas baterías, con el objetivo de conseguir un funcionamiento más estable y duradero. Los resultados obtenidos en el laboratorio apuntan a posibles aplicaciones en el almacenamiento de energía renovable.

Un catalizador híbrido para mejorar las baterías de zinc-aire

La clave del avance está en un catalizador compuesto por hierro, níquel y carbono. El equipo dirigido por el profesor Jörg J. Schneider ha combinado partículas de ferrita de níquel de tamaño nanométrico con una estructura de carbono modificada con nitrógeno y fósforo. Esta configuración permite mejorar la actividad del material y mantener bajo control las reacciones químicas necesarias para cargar y descargar la batería.

Las ferritas de níquel ya se habían estudiado como catalizadores para favorecer las reacciones del oxígeno en las baterías de zinc-aire recargables. El problema era que estos materiales presentaban una actividad química limitada y podían perder estabilidad durante el funcionamiento. Para solucionarlo, los investigadores han incorporado las pequeñas partículas a una estructura de carbono con forma de nanocuernos, que contribuye a mantenerlas dispersas y evita que se agrupen o se disuelvan con tanta facilidad.

Esta envoltura de carbono también facilita el transporte de electrones y de las sustancias que intervienen en las reacciones electroquímicas. Al mismo tiempo, proporciona más puntos activos para que se produzcan dichas reacciones. El resultado es un catalizador híbrido diseñado para trabajar durante más tiempo sin perder eficacia, uno de los requisitos fundamentales para que las baterías de zinc-aire puedan convertirse en una opción viable para aplicaciones de almacenamiento energético.

En las pruebas realizadas, el material alcanzó un potencial de semionda de 0,79 voltios y una pendiente de Tafel de 56,5 milivoltios por década, dos parámetros utilizados para evaluar el comportamiento de los catalizadores electroquímicos. También favoreció una vía de reducción del oxígeno de cuatro electrones, un proceso relevante para mejorar la eficiencia de las reacciones que tienen lugar dentro de la batería.

Los resultados fueron igualmente prometedores al integrar el catalizador en una celda completa. La batería alcanzó una densidad de potencia máxima de 54 milivatios por centímetro cuadrado, frente a los 28 milivatios por centímetro cuadrado utilizados como referencia para catalizadores convencionales basados en platino y rutenio. Esta comparación apunta a una mejora considerable en las condiciones experimentales del estudio, aunque no implica por sí sola que el sistema esté preparado para su comercialización.

El dato más llamativo llegó durante las pruebas de carga y descarga. La batería de zinc-aire consiguió funcionar durante más de 300 horas en ensayos de laboratorio, sometida a ciclos de corriente constante. Según los investigadores, el nuevo catalizador ayuda a estabilizar la denominada triple interfaz, la zona en la que coinciden el catalizador sólido, el electrolito líquido y el oxígeno del aire.

Mantener estable esa interfaz resulta esencial para que las reacciones se desarrollen de forma controlada. Si el catalizador pierde actividad o se deteriora, el rendimiento de la batería puede caer y su vida útil queda comprometida. El nuevo material busca precisamente evitar esos problemas y mantener unas condiciones de funcionamiento más constantes durante periodos prolongados.

Una alternativa para almacenar energía renovable

Las baterías de zinc-aire presentan varias ventajas potenciales frente a las tecnologías basadas en litio. El zinc, el hierro y el carbono son materiales relativamente abundantes, lo que puede facilitar el abastecimiento de materias primas y reducir los costes. Además, estas baterías pueden utilizar electrolitos acuosos no inflamables, una característica que reduce determinados riesgos asociados a los incendios provocados por el sobrecalentamiento de las baterías.

Su capacidad para almacenar grandes cantidades de energía en relación con su peso también las convierte en una tecnología interesante. No obstante, conviene distinguir entre las posibilidades teóricas de la química zinc-aire y las prestaciones de una batería comercial completa. La densidad energética, la potencia disponible, la eficiencia de carga y descarga y la duración real dependen del diseño de cada sistema y de las condiciones de funcionamiento.

Hasta ahora, las baterías de zinc-aire se han utilizado especialmente en dispositivos de pequeño tamaño, como los audífonos, donde su capacidad de almacenamiento resulta útil y no es imprescindible recargarlas. Desarrollar versiones recargables ha sido mucho más complicado debido a las dificultades para controlar las reacciones químicas durante los ciclos de carga y descarga.

El avance de la Universidad Técnica de Darmstadt aborda una parte importante de ese problema, pero todavía quedan cuestiones por resolver antes de pensar en una implantación a gran escala. Las más relevantes son la durabilidad a largo plazo, la eficiencia energética del ciclo completo, el coste de fabricación y la capacidad de mantener el rendimiento cuando se aumenta el tamaño de las celdas.

Por sus características, el almacenamiento estacionario de electricidad es una de las aplicaciones más interesantes para esta tecnología. Las baterías de zinc-aire podrían ayudar a guardar los excedentes de producción de instalaciones solares y parques eólicos para utilizarlos cuando la generación sea insuficiente. En este ámbito, el coste de los materiales y la seguridad pueden ser tan importantes como la potencia máxima que ofrece el sistema.

A más largo plazo, también se podría estudiar su utilización en el transporte pesado y en los coches eléctricos. Sin embargo, la densidad de potencia moderada y los retos que todavía presenta la recarga hacen que sea prematuro considerarlas un sustituto directo de las baterías actuales para los automóviles. Para llegar a ese punto, será necesario demostrar que las ventajas observadas en el laboratorio se mantienen en sistemas completos, sometidos a condiciones reales de uso.

La investigación supone, por tanto, un paso prometedor hacia unas baterías de zinc-aire más duraderas y fáciles de recargar. Las más de 300 horas de funcionamiento obtenidas en las pruebas demuestran el potencial del catalizador, aunque el verdadero salto tecnológico llegará cuando sea posible trasladar estos resultados a instalaciones de mayor tamaño y demostrar su viabilidad económica.