China desarrolla unas económicas baterías de zinc-aire que usan agua de mar
Investigadores chinos han desarrollado unas nuevas baterías de zinc-aire capaces de funcionar directamente con agua de mar. Su nuevo catalizador protege los materiales frente al cloruro y aumenta la eficiencia lo que abre las puertas a una química que destaca por su bajo coste.
Investigadores en China han dado un paso importante en la electrificación marítima y el almacenamiento de energía con baterías de zinc-aire que utilizan agua de mar como electrolito. Este avance promete superar uno de los principales obstáculos de estas baterías: la degradación de los materiales catalíticos tradicionales cuando entran en contacto con iones cloruro presentes en el agua salada o cuando se instalan en zonas complejas por las condiciones meteorológicas.
El equipo, formado por científicos de la Universidad Central del Sur y la Universidad Jiaotong-Liverpool de Xi’an, ha desarrollado un nuevo catalizador denominado Cl–Fe–N4, que protege los sitios activos frente al cloruro y, al mismo tiempo, duplica la velocidad de reacción. La clave está en su estructura de pirámide cuadrada, que permite que el hierro coordinado con átomos heteroatómicos (cloro o azufre) funcione de manera más eficiente, manteniendo la estabilidad de la batería incluso en agua de mar natural.
En pruebas recientes, estas baterías demostraron una densidad de potencia de 187,7 mW/cm² a 245,1 mA/cm² y una estabilidad en ciclos de hasta 200 horas, superando a las soluciones comerciales basadas en platino que fallan rápidamente en entornos marinos. Los análisis muestran que la incorporación de átomos heteroatómicos cambia el centro electrónico del hierro, creando intermediarios de reacción más activos y aumentando la densidad de electrones en los sitios de reacción, lo que mejora de manera significativa la actividad catalítica global.
Una estrategia universal de síntesis
El estudio revela una estrategia de síntesis universal para producir catalizadores de zinc-aire con estructura piramidal cuadrada de cinco coordenadas. Al introducir átomos altamente electronegativos como cloro y azufre, los científicos pueden modificar la simetría y la estructura electrónica de los catalizadores convencionales, logrando que las baterías funcionen de manera eficiente con agua de mar.
A diferencia de las baterías tradicionales, estas baterías utilizan agua de mar como electrolito, lo que evita el consumo de agua dulce y abre la puerta a aplicaciones marinas escalables y más económicas. Entre sus posibles usos destacan sensores flotantes, vehículos submarinos no tripulados, sistemas de desalinización fuera de la red y, especialmente, el respaldo de la red eléctrica y las energías renovables, donde su bajo coste y alta estabilidad podrían tener un impacto significativo.
El catalizador se combina con ánodos de zinc imprimibles, permitiendo la fabricación de celdas tipo pouch que funcionan directamente en el océano. Además, el proceso de producción es compatible con líneas industriales de fibra de carbono, utilizando una tinta a base de agua y etanol y temperaturas máximas inferiores a 1.000 °C, lo que facilita la producción a gran escala mediante rollo a rollo.
En resumen, este trabajo ofrece un manual de diseño de materiales capaz de convertir el ion más abundante del océano, el cloruro, de un elemento perjudicial a un indicador de rendimiento, lo que abre nuevas oportunidades para el almacenamiento y conversión de energía en entornos marinos y terrestres, de manera estable y eficiente, con un gran potencial en la integración de energías renovables y la estabilidad de las redes eléctricas.
Fuente | Springer Nature
