Como bien sabemos, las baterías se han convertido en un elemento fundamental para nuestra sociedad moderna, siendo esenciales para el desarrollo de las aplicaciones tecnológicas del futuro, desde vehículos eléctricos hasta las energías renovables, pero cada vez es más urgente que estos elementos se vuelvan más eficientes y ecológicos, y en eso las baterías de zinc–aire han despertado el interés de muchos investigadores desde hace mucho tiempo, ya que tienen el potencial de entregar mayor densidad energética que las actuales baterías de litio, con la ventaja de que emplean un ánodo de zinc, un metal más abundante y geográficamente más distribuido que el litio.
Las baterías zinc-aire tienen potencial para ser más ecologicas y eficientes que las actuales baterías de litio. Fuente: imagen editada, original de Pixabay.com.
Pero en la actualidad, las baterías de zinc-aire no son recargables, y enfrentan importantes limitaciones que han impedido desarrollar esta tecnología, por lo que solo están disponibles en el mercado para ser utilizadas en pequeños dispositivos como audífonos y dispositivos médicos, pero tienen una alta densidad energética por lo que tienen el potencial de alimentar diferentes tipos de dispositivos electrónicos, por ellos muchos son los investigadores que trabajan en el desarrollo de las baterías zinc-aire recargables.
Ejemplo de pilas de botón de zinc-aire utilizadas en audífonos. Fuente: Wikipedia.org.
Cómo funcionan las baterías zinc-aire
Una batería de zinc-aire es un tipo de batería metal-aire, es decir, es una celda electroquímica en la que el ánodo está fabricado de un metal (como aluminio, hierro, zinc, magnesio, entre otros) mientras que el cátodo está expuesto al aire ambiente, y por lo general utilizan un electrolito acuoso.
Básicamente, la batería de zinc-aire consta de un ánodo de Zn metálico y un cátodo poroso separados por un electrolito alcalino. El aire penetra el cátodo poroso y el oxígeno se reduce en la superficie, mientras que el zinc se oxida en el ánodo a iones zincato (Zn(OH)42-), produciendo electricidad durante esta reacción. Y teóricamente durante la carga esta reacción se invierte, con la reducción del Zn y su deposición en el ánodo y con la reacción de evolución el oxígeno en el cátodo y su liberación nuevamente a la atmosfera.
Reacción en el ánodo:
Reacción en el cátodo:
Un esquema típico de funcionamiento de este tipo de celda se muestra en la siguiente figura.
Esquema típico de una celda zinc-aire: Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Estas baterías han demostrado tener una atractiva densidad energética de 1086 Wh/kg, menor que las baterías de Li-aire (1910 Wh/kg), pero las baterías de zinc-aire tienen la ventaja de presentar mayor compatibilidad con electrolitos acuosos, lo que les brinda mayor seguridad y menor costo de fabricación. Sin embargo, la masificación de este tipo de batería se ha limitado por diversos factores, por un lado debido a la irreversibilidad electroquímica del ánodo de zinc tras repetidos ciclos de carga y descarga, además de que el dióxido de carbono del aire tiende a absorberse en la solución, lo que disminuye la conductividad del electrolito.
Retos y futuro de las baterías de Zinc-aire
Hay mucho interés por desarrollar las baterías zinc-aire recargables, sin embargo, primero se deben superar algunos retos que ha presentado esta tecnología, como la lenta cinética de las reacciones químicas implicadas en el proceso y la irreversibilidad electroquímica del ánodo de zinc. Para el primero de ello, los investigadores se han centrado en el desarrollo de nuevos catalizadores para el cátodo de aire, con la finalidad de conferirle mayor resistencia mientras se produce la corrosión del ánodo de zinc, y aunque han logrado obtener grandes mejoras, el problema de irreversibilidad electroquímica producido por los electrolitos fuertemente alcalinos producen inestabilidad química y reacciones paralelas que siguen limitando la vida útil de estas baterías.
Pero, un equipo de investigación del Instituto de Química Aplicada de Changchun (CIAC) de la Academia China de Ciencias, ha implementado un enfoque diferente para solucionar este problema, y han desarrollado una batería zinc-aire hibrida de alto voltaje y gran rendimiento incorporando un ánodo de zinc neutro, un cátodo ácido y una membrana hidrofóbica doble de protección de protones para mantener aislados los dos electrolitos.
Este grupo de investigación logró desarrollar un recubrimiento electroquímico estable de zinc altamente reversible en el electrolito neutro, y encontraron que empleando un electrolito ácido se resolvía el problema de envenenamiento del cátodo de aire por dióxido de carbono. Y además, utilizando una membrana conductora de iones hidrofóbica dual especialmente diseñada para transportar selectivamente los aniones hidrofóbicos evita eficazmente el cruce de protones del catolito al anolito.
Diagrama esquemático de la pila híbrida de zinc-aire. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Según los resultados presentados, mediante esta configuración de celda hibrida se logró optimizar la reacción redox tanto en el ánodo como en el cátodo de la celda, con lo cual esta batería hibrida entrego un voltaje de trabajo de 1,5V y un funcionamiento estable durante 2000 h en aire ambiente, lo que se puede considerar una larga vida útil.
Si bien este desarrollo aún necesita más investigación, aumenta el interés por las baterías recargables de Zinc-aire y de hacer de estas una nueva generación de baterías recargables económicas, fabricadas con materiales abundantes y fácilmente reciclables.
Bueno amigos, esperemos que el desarrollo de este sistema de almacenamiento de energía continúe y podamos disponer de una nueva generación de baterías sustentables. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Wikipedia.org. Baterías zinc-aire
FayazHussain, M. ZillurRahman, Ashvini NairSivasengaran; M.Hasanuzzaman (2020). Energy storage technologies, in Energy for Sustainable Development, Pages 125-165.
Yang-feng Cui et al. (2022). A high-voltage and stable zinc-air battery enabled by dual-hydrophobic-induced proton shuttle shielding. Joule, June 20, 2022.
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