Las baterías recargables de Zn-aire vuelven a estar en el candelero. En comparación con la tecnología actual de iones de litio, estas baterías, denominadas "más allá del litio-ion", poseen una mayor densidad energética teórica (alto rendimiento) y unos costes de producción potencialmente muy bajos, lo que las hace adecuadas para aplicaciones estacionarias.

Además, esta atractiva tecnología de almacenamiento de energía emplea materiales abundantes y respetuosos con el medio ambiente (es decir, es ecológica), tiene un gran potencial de alta reciclabilidad y es segura (es decir, el electrolito es acuoso y no necesita disolventes orgánicos peligrosos). Como material para las baterías, el zinc es atractivo porque es abundante, está geográficamente disperso y es mucho menos costoso que el litio. 

Pero ¿son estas baterías una novedad? En absoluto, las baterías primarias de Zn-aire son una tecnología centenaria cuyo desarrollo es una historia de serendipia.

En 1868, Leclanché inventó la primera celda que contenía un ánodo de Zn amalgamado, una mezcla de dióxido de manganeso y un cátodo de carbono, y un electrolito de cloruro de amonio. Sin saberlo, Leclanché expuso el cátodo al aire creando los llamados límites trifásicos (gas, líquido y sólido) y, por tanto, ¡creó sin querer la primera batería primaria de Zn-aire!

Desde entonces, muchos otros (por ejemplo, Maiche, Walker y Wilkins) siguieron desarrollando mejores diseños de celdas y materiales hasta que en 1932 la Union Carbide Company comercializó las primeras baterías en Estados Unidos. Las baterías primarias de Zn-aire se hicieron omnipresentes y hoy en día podemos encontrarlas en audífonos, monitores de pacientes y señalización de tráfico, entre otros.

Baterías recargables de Zn-aire

En los últimos años, las baterías de Zn-aire han sido revisadas con el objetivo de hacerlas recargables debido a sus prometedoras propiedades: gran densidad energética teórica (1353 W h kg-1 excluyendo el oxígeno), bajo coste (actualmente <100 kW-1 h-1, y potencialmente <10 kW-1 h-1) y seguridad inherente.

Una batería convencional de Zn-aire consiste en un cátodo de aire poroso y un ánodo de Zn metálico, separados por un electrolito alcalino. Durante la descarga, el O2 del aire penetra en el cátodo poroso y se reduce en la superficie; mientras tanto, el ánodo metálico de Zn se oxida a iones solubles de zincato (Zn(OH)42-). Teóricamente, esta reacción puede invertirse con la evolución del O2 en el cátodo y su posterior liberación a la atmósfera, y el Zn metálico se deposita en el ánodo. Estos principios de funcionamiento se basan en la reacción de reducción de oxígeno (ORR) durante la descarga y la reacción de evolución (OER) durante la carga.

Uno de los principales retos de esta tecnología de almacenamiento de energía es la lenta cinética de estas reacciones, que da lugar a una limitada ciclabilidad. Por ello, los investigadores de todo el mundo han orientado sus investigaciones hacia el desarrollo de electrocatalizadores de oxígeno bifuncionales adecuados (activos durante la ORR y la OER).

En el estado actual de la tecnología, se han estudiado y desarrollado los óxidos de metales preciosos o de metales de transición como catalizadores bifuncionales de mejor rendimiento; sin embargo, el uso de soportes de materiales de carbono baratos y conductores mejora la dispersión del catalizador y el área activa, al tiempo que disminuye el coste final. La ventaja inherente a estas baterías es que no requieren ninguna materia prima crítica y los materiales basados en el carbono pueden ser, por ejemplo, utilizados a partir de los residuos de fundición con el objetivo de lograr una economía circular.

Se ha prestado mucha menos atención al ánodo de Zn, que es igualmente importante para conseguir baterías de Zn-aire estables y recargables. El principal reto surge de la reacción espontánea entre el Zn y el electrolito, que genera H2 y corrosión en el electrodo, lo que lleva a la muerte de la celda. Los estudios actuales sobre baterías recargables de Zn-aire están muy lejos de las aplicaciones prácticas; la profundidad de descarga (DOD) es en su mayoría muy baja (<1%), lo que apenas supone un reto para los ánodos de Zn. Las aplicaciones comerciales requieren una alta utilización del ánodo de Zn (>50% de DOD) y reversibilidad electroquímica en circunstancias prácticas. En este sentido, la investigación y la industria deben trabajar juntas para encontrar soluciones sostenibles y duraderas para desarrollar una batería recargable de Zn-aire.

En los últimos años, varias empresas (por ejemplo, NantEnergy en EE.UU., EDF en Europa) han reivindicado el desarrollo de baterías recargables eléctricamente sin sustancias peligrosas, baratas y totalmente reciclables.  Sin embargo, estos avances están rodeados de un halo de escepticismo. ¿Son estas baterías recargables eléctrica o mecánicamente (o batería de flujo)? La segunda plantea un menor reto, ya que se recargan reponiendo el ánodo de Zn y el electrolito.

El futuro de las baterías de Zn-aire

Será cuestión de tiempo que estas baterías salgan al mercado general. Un mercado con muchas oportunidades, ya que las baterías de litio-ion por sí solas son limitadas como única solución de almacenamiento para equilibrar la oferta y la demanda de electricidad de la red eléctrica y para evitar las costosas cargas en horas punta.

El interés por las baterías recargables de Zn-aire aumenta continuamente porque su producción en masa es factible a precios baratos. Por ejemplo, para el almacenamiento de energía a gran escala, el Li-ion no puede competir con las baterías de Zn-aire.

El futuro parece prometedor y el esfuerzo dedicado al desarrollo de este sistema de almacenamiento de energía aumenta. Podríamos considerarlo como el Santo Grial de las baterías: una batería fabricada con materiales abundantes y ecológicos, segura, barata y reciclable.

Ahora es el momento de que los científicos (línea de investigación del metal-aire en el CIC energiGUNE) y las empresas trabajen juntos para hacer realidad esta tecnología. Necesitamos almacenar cada vez más energía y este sistema presenta numerosas ventajas para las aplicaciones estacionarias en las que el coste es imprescindible.