Les nanopartícules poden millorar les bateries recarregables de zinc-aire

La crisi mediambiental està estimulant mercats emergents en electromobilitat i en l'emmagatzematge d'energia a gran escala per a l'ús eficient de les fonts d'energia renovable. Aquestes aplicacions requereixen el desenvolupament de nous sistemes amb més densitat energètica que les bateries actuals de ió-liti. Aquestes bateries són les bateries secundàries (recarregables) més usades actualment, tant en dispositius portàtils com en vehicles elèctrics. Però la tecnologia ió-liti presenta limitacions en termes de densitat energètica, seguretat, sostenibilitat, a més d'un alt cost pel que fa a €/kWh, per la qual cosa resulta ser una proposta ineficient per a les aplicacions a gran escala.

Les bateries recarregables de zinc-aire són unes candidates prometedores, ja que presenten una bona capacitat teòrica de 1086 Wh/kg (la potència que pot proporcionar cada quilo de pes de la bateria), molt superior als 260 Wh/kg de la bateria de ió-liti. A més, es basen en components barats, d'alta disponibilitat i segurs. De fet, l'oxigen està sempre present a la nostra atmosfera i el zinc (Zn) és un dels elements més abundants a l'escorça terrestre.

No obstant això, avui dia només s'han pogut comercialitzar bateries primàries (no recarregables) de zinc-aire, ja que el desenvolupament de bateries secundàries xoca encara amb diversos obstacles tècnics relacionats, sobretot, amb la reversibilitat i la vida útil dels elèctrodes (ànode i càtode).

Científics de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB) i de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM), tots dos del CSIC, estan treballant per aconseguir una recargabilitat eficient en bateries zinc-aire que les faci comercialment viables. L'equip està format pels investigadors del CSIC Dino Tonti, Eulàlia Pujades-Otero, Neus Casañ Pastor, tots tres de l'ICMAB, i Libertad Abad Muñoz, de l'IMB-CNM.

El principal problema és l'alta dissolució de l'ànode de zinc. En el procés de descàrrega de la bateria, l'elèctrode de zinc pateix corrosió i es dissol, i en el procés de càrrega es solidifica i genera creixement de dendrites en la seva superfície, la qual cosa modifica la morfologia de l'elèctrode. Si les dendrites creixen massa, poden entrar en contacte amb el càtode i provocar un curtcircuit. També poden provocar canvis en la morfologia del propi elèctrode, que causen desconnexions i passivacions, cosa que al final resulta en pèrdues en la capacitat i, en conseqüència, en la disminució de la vida útil de la bateria.

El principal problema de les bateries de zinc-aire és que en el procés de descàrrega l'elèctrode de zinc pateix corrosió i es dissol, i en el procés de càrrega es solidifica i forma dendrites a la seva superfície (dreta), modificant la morfologia de l'elèctrode. Els científics han vist que això es pot evitar recobrint l'elèctrode de zinc amb nanopartícules en suspensió (esquerra).

"El nostre grup proposa abordar aquest problema mitjançant una estratègia específica de recobriment de l'elèctrode, derivada d'anteriors estudis electroquímics en els nostres laboratoris", explica Dino Tonti. "Hem comprovat que si recobrim l'ànode de zinc amb nanopartícules obtenim una millora remarcable de la reversibilitat d'aquest elèctrode i, amb això, de la vida útil de la bateria zinc-aire recarregable".

L'objectiu és avançar en aquesta tecnologia per a poder oferir la seva propietat intel·lectual a un agent industrial rellevant de el camp de les bateries, i col·laborar en la seva introducció en un dispositiu comercialitzable. El projecte està finançat amb el programa "Llavor" de la Generalitat de Catalunya, amb el qual continuen investigacions iniciades en un projecte EXPLORA del Ministeri de Ciència i Innovació.  El projecte compte amb el suport de CEGASA, empresa referent mundial en la fabricació de bateries zinc-aire per a usos industrials.