El mundo necesita baterías baratas y potentes que puedan almacenar electricidad producida de manera sostenible a partir del viento o la luz solar para que podamos usarla cuando la necesitemos, incluso cuando esté oscuro afuera o no sople el viento. Las baterías más comunes que alimentan nuestros teléfonos inteligentes y automóviles eléctricos son las baterías de iones de litio. Son bastante caras porque la demanda mundial de litio se está disparando y estas baterías también son muy inflamables.
Las baterías de zinc a base de agua ofrecen una alternativa prometedora a estas baterías de iones de litio. Un equipo internacional de investigadores dirigido por ETH Zurich ahora ha ideado una estrategia que aporta avances clave para el desarrollo de este tipo de baterías de zinc, haciéndolas más potentes, seguras y respetuosas con el medio ambiente.
La durabilidad es un desafío
Hay una serie de ventajas para las baterías de zinc : el zinc es abundante, barato y tiene una infraestructura de reciclaje madura. Además, las baterías de zinc pueden almacenar mucha electricidad. Lo que es más importante, las baterías de zinc no requieren necesariamente el uso de solventes orgánicos altamente inflamables como fluido electrolítico, ya que también se pueden fabricar con electrolitos a base de agua.
Si tan solo no hubiera desafíos que los ingenieros deben enfrentar al desarrollar estas baterías: cuando las baterías de zinc se cargan a alto voltaje, el agua en el fluido electrolítico reacciona en uno de los electrodos para formar gas hidrógeno. Cuando esto sucede, el líquido electrolítico disminuye y el rendimiento de la batería disminuye. Además, esta reacción hace que se acumule un exceso de presión en la batería que puede ser peligroso. Otro problema es la formación de depósitos puntiagudos de zinc durante la carga de la batería, conocidos como dendritas, que pueden perforar la batería y, en el peor de los casos, incluso causar un cortocircuito y dejar la batería inutilizable.
Las sales hacen que las baterías sean tóxicas
En los últimos años, los ingenieros han seguido la estrategia de enriquecer el electrolito líquido acuoso con sales para mantener el contenido de agua lo más bajo posible. Pero también hay desventajas en esto : hace que el fluido electrolítico se vuelva viscoso, lo que ralentiza considerablemente los procesos de carga y descarga. Además, muchas de las sales utilizadas contienen flúor, lo que las hace tóxicas y nocivas para el medio ambiente.
Maria Lukatskaya, profesora de Sistemas de Energía Electroquímica en ETH Zurich, ahora ha unido fuerzas con colegas de varias instituciones de investigación en los Estados Unidos y Suiza para buscar sistemáticamente la concentración de sal ideal para baterías de iones de zinc a base de agua. Usando experimentos respaldados por simulaciones por computadora, los investigadores pudieron revelar que la concentración ideal de sal no es, como se suponía anteriormente, la más alta posible, sino relativamente baja : de cinco a diez moléculas de agua por ion positivo de sal.
Rendimiento duradero y carga rápida
Además, los investigadores no utilizaron sales dañinas para el medio ambiente para sus mejoras, sino que optaron por sales de ácido acético respetuosas con el medio ambiente, llamadas acetatos. « Con una concentración ideal de acetatos, pudimos minimizar el agotamiento de electrolitos y prevenir las dendritas de zinc tan bien como lo hicieron otros científicos anteriormente con altas concentraciones de sales tóxicas », dice Dario Gómez Vázquez, estudiante de doctorado en el grupo de Lukatskaya y autor principal de el estudio. « Además, con nuestro enfoque, las baterías se pueden cargar y descargar mucho más rápido ».
Hasta ahora, los investigadores de ETH han probado su nueva estrategia de batería en una escala de laboratorio relativamente pequeña. El siguiente paso será ampliar el enfoque y ver si también se puede traducir para baterías grandes. Idealmente, estos podrían usarse algún día como unidades de almacenamiento en la red eléctrica para compensar las fluctuaciones, por ejemplo, o en los sótanos de casas unifamiliares para permitir que la energía solar producida durante el día se use por la noche.
Todavía hay algunos desafíos que superar antes de que las baterías de zinc estén listas para el mercado, como explica el profesor Lukatskaya de ETH : las baterías constan de dos electrodos, el ánodo y el cátodo, y el fluido electrolítico entre ellos. « Demostramos que al ajustar la composición de electrolitos se puede habilitar la carga eficiente de los ánodos de zinc », dice ella. « Sin embargo, en el futuro, los materiales de cátodo de rendimiento también deberán optimizarse para realizar baterías de zinc duraderas y eficientes ».