Las baterías de iones de litio dominan el mercado actual de baterías debido a su alta densidad energética (100-265 Wh kg-1), su larga vida útil (2000-3000 ciclos) y su coste. Sin embargo, presentan algunas limitaciones a la hora de cubrir las futuras demandas de energía para el apoyo a la red, la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos.
Las baterías de metal-aire son dispositivos aún poco desarrollados que podrían sustituir eficazmente a los combustibles derivados del petróleo debido a su altísima capacidad teórica (1000-3500 Wh kg-1). Estas capacidades tan elevadas pueden lograrse utilizando oxígeno y metales como el sodio o el zinc, que son materiales sostenibles y baratos que no están clasificados como materias primas críticas asociadas a un riesgo de suministro futuro, lo que constituye un parámetro clave para desarrollar alternativas viables a la economía basada en el petróleo.
Las baterías de litio-aire se exploraron en primer lugar debido a su extraordinaria densidad energética (3500 Wh kg-1 a base de Li2O2). Sin embargo, a pesar de su menor densidad energética (1108 Wh kg-1 a base de NaO2), las baterías de sodio-aire llamaron la atención por su mayor accesibilidad y por la abundancia natural y menor coste del sodio.
Por otro lado, las baterías de zinc-aire son una tecnología centenaria que volvió a la palestra gracias al desarrollo de nuevos electrocatalizadores que permiten su recarga. El zinc metálico no tiene la abundancia natural del sodio, pero permite el uso de electrolitos a base de agua, ecológicos y baratos.
Baterías que respiran
Las baterías de metal-aire son unas baterías muy especiales, ya que "respiran" del mismo modo que las células de los organismos vivos: utilizan el oxígeno para generar energía. El cátodo "inhala" oxígeno durante la descarga para liberar energía mediante la reducción electroquímica del oxígeno (reacción de reducción del oxígeno, ORR). Las especies reducidas de oxígeno se combinan con los iones metálicos producidos en el ánodo metálico para formar óxidos metálicos, ya sea en el electrolito o en la superficie del cátodo. Durante la carga, los óxidos metálicos se descomponen de nuevo para "exhalar" oxígeno molecular mediante una reacción de evolución del oxígeno (OER).
A día de hoy, el principal reto de las baterías de metal-aire para sustituir a las de iones de litio es su todavía limitada recargabilidad. A diferencia de la inserción en las baterías de iones metálicos, la conversión química que se produce en las baterías de metal-aire es un mecanismo de almacenamiento más energético, pero desde el punto de vista cinético es mucho más dificultoso, lo que conduce a un elevado sobrepotencial de ciclado y a la muerte prematura de la batería. En este contexto, la búsqueda de electrocatalizadores eficientes y sostenibles para la ORR y la OER ha sido un tema de investigación frecuente en la última década.
Las moléculas sintéticas biomiméticas son una excelente opción para la creación de nuevos materiales con propiedades similares o mejores a las de los materiales biológicos existentes en la naturaleza, lo que abre una nueva vía para el desarrollo de sistemas eficientes de almacenamiento de energía. CICenergiGUNE ha identificado que la compleja química del oxígeno en solución, que limita la eficiencia y el rendimiento de las baterías metal-aire, es muy similar a la que se produce en las células vivas durante la respiración.
Más concretamente, los macrociclos metalorgánicos son "catalizadores naturales" que intervienen en las reacciones bioquímicas de conversión del oxígeno en el metabolismo humano. Por ejemplo, las porfirinas de cobre y las porfirinas de hierro (grupo hemo) son centros activos redox que catalizan la reducción del oxígeno molecular a agua y actúan como transportadores de electrones en las mitocondrias. El grupo hemo es también el centro activo de la hemoglobina, que es el principal transportador de oxígeno en los animales.
Otro buen ejemplo de cinética eficiente en las células vivas son los nucleótidos. Estas pequeñas biomoléculas (formadas por una nucleobase heterocíclica nitrogenada, un azúcar pentosa y un grupo fosfato) actúan como cofactores de las enzimas sometiéndose a reacciones reversibles de oxidación/reducción en la cadena de transferencia de electrones mitocondrial, liberando o retirando electrones, respectivamente. Debido a esta mayor actividad redox y a la capacidad de fijación del oxígeno, este tipo de pequeñas biomoléculas, presentes de forma natural en el metabolismo animal, ya se ha aplicado a la producción de hidrógeno, a las células solares y a las pilas de combustible, pero aún no se ha aplicado a las pilas metal-aire.
Proyecto BioAirBat
La línea de investigación metal-aire del CIC energiGUNE está imitando la bioquímica altamente eficiente basada en el oxígeno que existe en los organismos vivos para fabricar materiales catódicos bioinspirados y respetuosos con el medio ambiente para las baterías de sodio-aire y zinc-aire.
En el contexto del proyecto financiado con fondos nacionales BioAirBat se están combinando metodologías experimentales y computacionales para el cribado de moléculas existentes en la naturaleza y el descubrimiento y diseño de nuevas biomoléculas con propiedades catalíticas mejoradas. Sin embargo, mejorar tanto la conductividad electrónica como la estabilidad de estas moléculas es obligatorio para su aplicación en baterías.
La adsorción de los electrocatalizadores en una superficie grande y conductora, como las láminas de grafeno, puede proporcionar una cinética más rápida, en la que los electrones se trasladan fácilmente a los centros activos redox de las biomoléculas, mejorando la reversibilidad de los pares redox. Apuntar a los sitios activos en la compleja estructura de las biomoléculas, que son directamente responsables de la unión del oxígeno y de la catálisis ORR/OER, también es crucial para minimizar las reacciones parásitas o la adición de volumen muerto en los dispositivos de la batería (es decir, material que no es activo y se somete a la degradación empeorando el rendimiento electroquímico). Teniendo esto en cuenta, estamos produciendo grafeno mediante un proceso respetuoso con el medio ambiente (exfoliación electroquímica en agua) para utilizarlo como soporte de pequeñas partes activas de biomoléculas naturales con el fin de explorar su potencial aplicación para el desarrollo de baterías de alta capacidad, reversibles y eficientes para el futuro.
Por lo tanto, el acoplamiento de las ventajas de las baterías metal-aire de alta energía con el vasto potencial de las biomoléculas activas electrocatalíticas presentes en la naturaleza ofrece una estrategia interesante, sostenible y ecológica para superar los desafíos de las baterías metal-aire. La comprensión de los vínculos entre la estructura y la función de las biomoléculas mediante técnicas avanzadas de caracterización y estudios computacionales nos permitirá diseñar electrocatalizadores eficientes, lo cual es crucial para la fabricación de dispositivos avanzados de almacenamiento de energía.
