Litiozko ioien bateriak nagusi dira gaur egungo baterien merkatuan, dentsitate energetiko handia (100-265 Wh kg-1), balio-bizitza luzea (2000-3000 ziklo) eta kostua direla eta. Hala ere, muga batzuk dituzte sareari kontsumo-elektronikari eta ibilgailu elektrikoei laguntzeko etorkizuneko energia-eskaerak betetzeko orduan.

Metal-aire bateriak oraindik gutxi garatuta dauden gailuak dira, petroliotik eratorritako erregaiak eraginkortasunez ordezka ditzaketenak, gaitasun teoriko handia dutelako (1000-3500 Wh kg-1). Gaitasun handi horiek lortzeko, oxigenoa eta sodioa edo zinka bezalako metalak erabil daitezke. Material jasangarriak eta merkeak dira, eta ez daude lehengai kritiko gisa sailkatuta etorkizuneko hornidura-arriskuarekin lotuta; hori funtsezko parametroa da petrolioan oinarritutako ekonomiaren alternatiba bideragarriak garatzeko.

Litio-aireko bateriak, lehenik eta behin, beren dentsitate energetiko apartagatik arakatu ziren (Li₂O₂ bidez 3500 Wh kg^-1). Hala ere, dentsitate energetiko txikiagoa izan arren (1108 Wh kg^-1 NaO₂ bidez), sodio-aireko bateriak deigarriak izan ziren, irisgarritasun handiagoa zutelako eta sodioaren ugaritasun naturala eta kostu txikiagoa zutelako.

Bestalde, zink-aire bateriak ehun urtetik gorako teknologia bat dira, berriz kargatzea ahalbidetzen duten elektrokatalizatzaile berrien garapenari esker itzuli zena. Zink metalikoak ez du sodioaren berezko ugaritasuna, baina ur bidezko elektrolitoak, ekologikoak eta merkeak erabiltzea ahalbidetzen du.

Arnasten duten bateriak

Metal-aire bateriak oso bateria bereziak dira, organismo bizidunen zelulek bezala "arnasten" baitute: oxigenoa erabiltzen dute energia sortzeko. Katodoa oxigenoa arnasten du deskargan zehar energia askatzeko oxigenoaren murrizketa elektrokimikoaren bidez (oxigenoa murrizteko erreakzioa, ORR). Oxigeno espezie txikiak metalezko anodoan sortutako ioi metalikoekin konbinatzen dira oxido metalikoak sortzeko, elektrolitoan edo katodoaren gainazalean. Kargan, oxido metalikoak berriro deskonposatzen dira oxigeno molekularra "botatzeko", oxigenoaren eboluzio-erreakzio baten bidez (OER).

Gaur egun, metal-aireko bateriek litiozko ioiak ordezkatzeko duten erronka nagusia oraindik ere kargagarritasun mugatua da. Ioi metalikoen baterietan txertatzea ez bezala, metal-aire baterietan gertatzen den bihurketa kimikoa biltegiratze-mekanismo energetikoagoa da, baina ikuspegi zinetikotik askoz zailagoa da, eta horrek ziklatze-gainpotentzial handia eta bateriaren heriotza goiztiarra eragiten ditu. Testuinguru horretan, ORRentzako eta OERentzako elektrokatalizatzaile eraginkorrak eta iraunkorrak bilatzea maiz aztertu da azken hamarkadan.

Molekula sintetiko biomimetikoak naturan dauden material biologikoen propietate antzekoak edo hobeak dituzten material berriak sortzeko aukera bikaina dira, eta horrek energia biltegiratzeko sistema eraginkorrak garatzeko bide berri bat irekitzen du. CICenergiGUNEk identifikatu du soluzioan dagoen oxigenoaren kimika konplexua, metal-aire baterien eraginkortasuna eta errendimendua mugatzen dituena, arnasketan zelula bizietan gertatzen denaren oso antzekoa dela.

Zehazkiago, makroziklo metalorganikoak "katalizatzaile naturalak" dira, giza metabolismoan oxigenoa bihurtzeko erreakzio biokimikoetan esku hartzen dutenak. Adibidez, kobrezko porfirinak eta burdinazko porfirinak (hemo taldea) erredox zentro aktiboak dira, oxigeno molekularra uretara murriztea katalizatzen dutenak eta mitokondrietan elektroi-garraiatzaile gisa jarduten dutenak. Hemo taldea hemoglobinaren gune aktiboa ere bada, animalien oxigeno-garraiatzaile nagusia.

Zelula bizietan zinetika eraginkorraren beste adibide on bat nukleotidoak dira. Biomolekula txiki horiek (nukleobase heterozikliko nitrogenatu batek, azukre pentoso batek eta fosfato talde batek osatutakoak) entzimen kofaktore gisa jarduten dute, eta oxidazio/erredukzio erreakzio itzulgarriak jasaten dituzte elektroi mitokondrialen transferentzia-katean, elektroiak askatuz edo kenduz, hurrenez hurren. Jarduera erredox handiago hori eta oxigenoa finkatzeko gaitasuna direla eta, biomolekula txiki horiek, animalien metabolismoan modu naturalean daudenak, hidrogenoaren ekoizpenean, eguzki-zeluletan eta erregai-piletan aplikatu dira, baina oraindik ez zaie aplikatu metal-aire bateriei.

BioAirBat Proiektua

CIC energiGUNEren metal-aire ikerketa-ildoa organismo bizidunetan dagoen oxigenoan oinarritutako biokimika oso eraginkorra imitatzen ari da, sodio-aire eta zink-aire baterietarako material katodiko bioinspiratuak eta ingurumenarekiko errespetuzkoak fabrikatzeko.

BioAirBat funts nazionalekin finantzatutako proiektuaren testuinguruan, metodologia esperimentalak eta konputazionalak konbinatzen ari dira naturan dauden molekulak bahetzeko eta propietate katalitiko hobetuak dituzten biomolekula berriak aurkitu eta diseinatzeko. Hala ere, molekula horien eroankortasun elektronikoa eta egonkortasuna hobetzea nahitaezkoa da baterietan aplikatzeko.

Azalera handi eta eroale batean elektrokatalizatzaileen adsortzioak, grafeno-xaflen antzera, zinetika azkarragoa eman dezake, non elektroiak biomolekulen erredox zentro aktiboetara erraz eramaten diren, erredox pareen itzulgarritasuna hobetuz. Biomolekulen egitura konplexuan aktibo dauden tokietara apuntatzea, oxigenoa eta ORR/OER katalisia elkartzearen erantzule zuzena baitira, erabakigarria da, halaber, erreakzio parasitak minimizatzeko edo bateriaren gailuetan bolumen hila gehitzeko (hau da, aktiboa ez den eta degradazioa jasaten duen materiala, errendimendu elektrokimikoa okertuz). Hori kontuan hartuta, grafenoa ekoizten ari gara ingurumena errespetatzen duen prozesu baten bidez (uretan esfoliazio elektrokimikoa), biomolekula naturalen zati aktibo txikien euskarri gisa erabiltzeko, etorkizunean gaitasun handiko bateriak, itzulgarriak eta eraginkorrak garatzeko aplikazio potentziala aztertzeko. 

Beraz, energia handiko metal-aire baterien abantailak naturan dauden biomolekula aktibo elektrokatalitikoen potentzial handiarekin akoplatzeak estrategia interesgarri, iraunkor eta ekologikoa eskaintzen du metal-aire baterien erronkak gainditzeko. Karakterizazio-teknika aurreratuen eta azterketa konputazionalen bidez biomolekulen egituraren eta funtzioaren arteko loturak ulertzeak elektrokatalizatzaile eraginkorrak diseinatzea ahalbidetuko digu, eta hori ezinbestekoa da energia biltegiratzeko gailu aurreratuak fabrikatzeko.