Los investigadores dicen que han encontrado una solución eficiente y rentable que podría mejorar drásticamente las baterías de zinc-aire, una opción de almacenamiento de energía que es limpia y segura pero, hasta ahora, se ha visto obstaculizada por problemas de rendimiento.
La carrera por encontrar baterías de alta densidad, rentables y respetuosas con el medio ambiente es un obstáculo importante para la realización de un mundo electrificado, porque la mayoría de las fuentes de energía renovable, al ser intermitentes, requieren buenas soluciones de almacenamiento de energía.
Las baterías recargables de zinc-aire se alimentan de la oxidación del zinc con el oxígeno del aire. Se consideran un posible candidato para el almacenamiento de energía de próxima generación porque, en teoría, podrían tener una densidad de energía ultra alta. No solo eso, sino que también se pueden reciclar, desechar de manera segura y recargar con zinc nuevo.
Rompiendo barreras para escalar la tecnología
Las baterías de zinc-aire ya se usan en audífonos y en algunos vehículos eléctricos, pero los ejemplos actuales tienden a verse obstaculizados por reacciones electroquímicas lentas, una barrera importante para escalar la tecnología.
El problema radica en un par de reacciones, llamadas reacción de evolución de oxígeno (OER) y reacción de reducción de oxígeno (ORR), que ocurren en el cátodo de aire durante la carga y descarga de la batería.
"La cinética redox para ORR y OER es muy lenta y genera una polarización severa, una menor eficiencia energética y una vida útil limitada de los ciclos de las baterías de zinc-aire recargables prácticas", dice el autor del estudio Bo-Quan Li, profesor asociado en el Instituto de Tecnología de Beijing.
Para resolver el problema, Li y los coautores observaron dos familias de metales, los metales nobles y los metales de transición (níquel, cobalto, manganeso y hierro), los cuales pueden catalizar reacciones ORR y OER al acelerar la transferencia de electrones entre los electrodos y los reactivos.
“Los electrocatalizadores basados en metales nobles demuestran una actividad electrocatalítica de última generación y sirven como puntos de referencia ampliamente aceptados”, dice Li. “Pero el alto costo, la escasez de tierra y la poca durabilidad dificultan sus aplicaciones prácticas a gran escala”.
Los metales de transición ofrecen esperanza
Los metales de transición, por otro lado, incluyen metales relativamente abundantes y de bajo costo como el hierro (Fe) y el níquel (Ni). Los investigadores combinaron estos dos metales de transición e incrustaron el compuesto sobre un sustrato; el hierro impulsó la reacción ORR, mientras que el níquel impulsó con éxito la reacción OER.
"Un solo tipo de sitio activo difícilmente puede promover la cinética de ORR y OER simultáneamente para proporcionar una actividad electrocatalítica bifuncional sobresaliente", dice Li. "Componer diferentes sitios activos con la actividad electrocatalítica respectiva se ha verificado como una estrategia efectiva para lograr la multifuncionalidad".
De hecho, su electrocatalizador funcionó mejor que las versiones basadas en metales nobles demostradas anteriormente.
"El electrocatalizador compuesto demostró una excelente actividad electrocatalítica bifuncional que supera al electrocatalizador basado en metales nobles y a la mayoría de los electrocatalizadores bifuncionales informados basados en sitios activos análogos", dice Li.
Es beneficioso para todos: un catalizador de hierro-níquel no solo lograría una alta densidad de potencia y una larga vida útil, sino que el hierro y el níquel son abundantes y rentables, proporcionando almacenamiento de energía sin dañar el planeta ni elevar los precios de las baterías por encima de lo factible.
La carrera para proporcionar un sistema efectivo de zinc-aire para el almacenamiento de energía se está intensificando. Otros investigadores han abordado el problema del rendimiento del zinc-aire mediante la introducción de un catalizador fotoactivo para acelerar las reacciones. La empresa estadounidense Zinc8 ha estado produciendo una batería recargable de flujo híbrido de zinc-aire desde 2020.
Rubén Perea
09/11/2022