Un nuevo catalizador permite recargar las baterías de zinc-aire hasta 500 veces
Este nuevo material podría permitir fabricar baterías con una densidad energética hasta cinco veces superior a la de las baterías de iones de litio, lo que las haría aptas para su uso práctico.
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Las pilas de zinc-aire pueden almacenar mucha más energía que las de iones de litio, pero hasta ahora era prácticamente imposible recargarlas. Un equipo dirigido por el profesor Jörg J. Schneider, del Departamento de Química, ha demostrado ahora cómo un material compuesto por hierro, níquel y carbono permite cargar y descargar la pila hasta 500 veces.
Llevan décadas utilizándose en audífonos: las baterías de zinc-aire. Son técnicamente maduras y están muy extendidas, pero tienen un gran inconveniente: una vez descargadas, acaban en la basura. Hasta ahora, las versiones recargables han sido escasas en el mercado. Sin embargo, tienen un gran potencial. En teoría, las baterías de zinc-aire pueden almacenar hasta cinco veces más energía que las baterías de iones de litio que se utilizan ampliamente en la actualidad. Los principales escollos son su recargabilidad total y los complejos procesos químicos que tienen lugar en el interior de la célula, que son técnicamente difíciles de controlar. Esto es precisamente lo que hace que el tema resulte tan apasionante para la investigación básica.
El grupo de investigación dirigido por el profesor Jörg J. Schneider, del Departamento de Química de la Universidad Técnica de Darmstadt, ha descrito ahora en la revista «Advanced Science» un paso importante hacia una batería de zinc-aire recargable. El equipo ha desarrollado un nuevo material y ha investigado sus propiedades electroquímicas; este material actúa como un catalizador especialmente eficiente y duradero dentro de la batería. El material se basa en las denominadas espinelas. Este grupo de minerales está muy extendido en la naturaleza; un ejemplo es la trevorita, un compuesto de níquel, hierro y oxígeno. En química, ciencia de los materiales e ingeniería eléctrica, las espinelas ya se utilizan de diversas formas debido a sus propiedades especiales.
Los investigadores de Darmstadt han fijado de forma directa y firme minúsculas partículas de espinela —de tan solo unos pocos nanómetros de tamaño— a nanomateriales de carbono. Además, se incorporan los elementos nitrógeno y fósforo a la superficie del carbono. De este modo se crea un material compuesto capaz de desempeñar varias funciones simultáneamente: conduce la electricidad, es químicamente estable y activa el elemento clave de la batería, el oxígeno.
Una batería de zinc-aire utiliza el oxígeno del aire ambiente. Durante la descarga, el oxígeno sufre una reacción química; durante la carga, debe volver a formarse. Ambas reacciones solo pueden producirse con la ayuda de un catalizador. La búsqueda de materiales que apoyen de manera eficaz y constante ambos procesos reviste una importancia fundamental. El nuevo catalizador logra precisamente esto: en los experimentos, permitió hasta 500 ciclos de carga y descarga. Un factor crucial en este sentido es una especie de «punto de encuentro» dentro de la batería donde deben reunirse tres elementos clave: el catalizador sólido, la solución electrolítica líquida —que facilita el transporte de carga— y el oxígeno del aire. Solo si esta zona de contacto —denominada por los expertos «triple unión»— se mantiene estable durante el funcionamiento, la batería funcionará de forma fiable. El nuevo material compuesto crea las condiciones favorables para ello.
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