Las nanopartículas pueden mejorar las baterías recargables de zinc-aire

La crisis medioambiental está estimulando mercados emergentes en la electromovilidad y el almacenaje de energía a gran escala para el uso eficiente de las fuentes de energía renovable. Estas aplicaciones requieren el desarrollo de nuevos sistemas con más densidad energética que las baterías actuales de ión-litio. Estas son las baterías secundarias (recargables) más usadas actualmente, tanto en dispositivos portátiles como en vehículos eléctricos. Pero la tecnología ión-litio presenta limitaciones en términos de densidad energética, seguridad, sostenibilidad, además de un alto coste en cuanto a €/kWh, lo que hace de ella una propuesta ineficiente para las aplicaciones a gran escala.

Las baterías recargables de zinc-aire son unas candidatas prometedoras, ya que presentan una buena capacidad teórica de 1086 Wh/kg (la potencia que puede proporcionar cada kilo de peso de la batería), muy superior a los 260 Wh/kg de la batería de ión-litio. Además, se basan en componentes baratos, de alta disponibilidad y seguros. De hecho, el oxígeno lo tenemos siempre presente en nuestra atmósfera y el zinc (Zn) es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre.

 Sin embargo, hoy en día solo se han podido comercializar baterías primarias (no recargables) de zinc-aire, ya que el desarrollo de baterías secundarias choca aún con varios obstáculos técnicos relacionados, sobretodo, con la reversibilidad y la vida útil de los electrodos (ánodo y cátodo).

Científicos del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) y del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM), ambos del CSIC, están trabajando para alcanzar una recargabilidad en baterías zinc-aire que le abra la vía al mercado. El equipo está formado por los investigadores del CSIC Dino Tonti, Eulàlia Pujades-Otero, Nieves Casañ Pastor, los tres del ICMAB, y Libertad Abad Muñoz, del IMB-CNM.

El factor más problemático es la alta disolución del ánodo de zinc. En el proceso de descarga el electrodo de zinc sufre corrosión y se disuelve, y en el proceso de carga se solidifica y genera crecimiento de dendritas en su superficie, lo que cambia la morfología del electrodo. Si las dendritas crecen demasiado, pueden entrar en contacto con el cátodo y provocar un cortocircuito. También pueden provocar cambios en la morfología del propio electrodo, que causan desconexiones y pasivaciones, lo que al final resulta en pérdidas en la capacidad y, en consecuencia, en la disminución de la vida útil de la batería.

En el proceso de descarga, el electrodo de zinc sufre corrosión y se disuelve, y en el proceso de carga se solidifica y forma dendritas en su superficie (derecha), lo que cambia la morfología del electrodo. Los científicos han visto que esto se puede evitar recubriendo el electrodo de zinc con nanopartículas en suspensión (izquierda).

"Nuestro grupo propone abordar este problema mediante una estrategia específica de recubrimiento del electrodo, derivada de anteriores estudios electroquímicos en nuestros laboratorios", explica Dino Tonti. "Hemos comprobado que el hecho de recubrir el ánodo de zinc con nanopartículas da lugar a una mejora remarcable de la reversibilidad de éste electrodo y, con ello, de la vida útil de la batería zinc-aire recargable".

El objetivo es avanzar en esta tecnología para poder ofertar su propiedad intelectual a un agente industrial relevante del campo de las baterías, y colaborar en su introducción en un dispositivo comercializable. El proyecto, está financiado con el programa "Llavor" de la Generalitat de Catalunya, avanzando investigaciones iniciadas en un proyecto EXPLORA del Ministerio de Ciencia e Innovación. El proyecto cuenta con el apoyo de CEGASA, empresa referente mundial en la fabricación de baterías zinc-aire para usos industriales.