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Las baterías han transformado la vida moderna, proporcionando energía a dispositivos móviles, vehículos eléctricos y, en casos críticos, servicios de respaldo. En particular, las baterías de ion de litio (LIB) han dominado el mercado gracias a su alta densidad energética y larga vida útil. Sin embargo, su producción depende de materiales costosos y limitados, como el litio y el cobalto, lo que encarece el producto y tiene efectos ambientales. Además, estas baterías alcanzaron en 2021-2022 precios elevados, con un incremento del 400 % en el litio. Ante esta realidad, ¿hay alternativas viables para los próximos años? Existen ya opciones prometedoras, como las baterías de ion de sodio, las de estado sólido y las de zinc-aire.
Baterías de Ion de Sodio: Estabilidad y costo accesible
Las baterías de ion de sodio (SIB) utilizan sodio en lugar de litio, lo cual reduce significativamente los costos y el impacto ambiental. El sodio es abundante y no requiere cobalto, un material escaso y contaminante. Aunque las SIB aún no alcanzan la densidad energética de las LIB, su seguridad y estabilidad las hacen ideales para almacenamiento en redes eléctricas y en aplicaciones que no requieran alta densidad de energía. Además, se espera que puedan integrarse a la infraestructura actual de fabricación de baterías de litio, lo cual podría acelerar su adopción en el mercado entre 2025 y 2027.
Baterías de Estado Sólido: Seguridad y alta densidad energética
Las baterías de estado sólido (SSB) representan una evolución en la tecnología de baterías al reemplazar el electrolito líquido de las LIB por uno sólido. Esto permite mejorar la densidad energética, lo que aumentaría la autonomía de los vehículos eléctricos y otros dispositivos portátiles. Además, las SSB son más seguras, ya que eliminan el riesgo de explosión debido a la inflamabilidad del electrolito líquido. Sin embargo, su producción es actualmente compleja y costosa, y su uso masivo aún depende de reducir costos de producción y aumentar la escala de fabricación, lo cual podría ocurrir para 2030.
Baterías de Zinc-Aire: Una alternativa sostenible y de alto rendimiento
Las baterías de zinc-aire (Zn-aire) están captando cada vez más atención como una opción ecológica y económica frente a las baterías de ion de litio (LIB). Estas baterías son prometedoras debido a la abundancia de zinc, su bajo costo y su impacto ambiental favorable. La batería Zn-aire genera energía mediante una reacción electroquímica donde el zinc actúa como ánodo y el oxígeno atmosférico, capturado en un cátodo “respirador de aire”, permite alcanzar una densidad energética teóricamente alta de hasta 1218 Wh/kg. Este rendimiento se compara favorablemente con las LIB, que presentan una densidad energética significativamente menor, entre 350 y 400 Wh/kg, debido a las limitaciones en los materiales utilizados y las características intrínsecas de su estructura.
Las baterías Zn-aire aprovechan el oxígeno del entorno como reactivo. Durante la descarga, el zinc del ánodo se oxida, liberando electrones y generando energía. Estos electrones viajan a través del circuito externo para alimentar dispositivos, mientras que en el cátodo se lleva a cabo una reacción de reducción de oxígeno, permitiendo que el oxígeno se combine con el zinc para formar óxido de zinc. Este sistema que utiliza el aire ambiental como parte activa de la reacción no solo permite una alta densidad energética, sino que también reduce el peso de la batería, lo cual resulta especialmente útil en aplicaciones donde la ligereza es crucial. En la Figura 1 se presenta un esquema general de los componentes de una batería Zn-aire.
Las baterías de Zn-aire destacan en varios aspectos. En términos de costo y sostenibilidad, el zinc es un material abundante y significativamente más económico que el litio y otros componentes en las LIB, lo que permite reducir los costos de producción y facilita la adopción de esta tecnología a gran escala. México cuenta con reservas de zinc valoradas en aproximadamente 17,3 millones de toneladas, y las principales zonas productoras incluyen estados como Zacatecas, San Luis Potosí, Durango y Chihuahua. En Chihuahua, particularmente, se han identificado depósitos significativos que contribuyen a la producción nacional, lo que resalta el potencial de esta región para el desarrollo de la industria del zinc. La densidad energética de las baterías Zn-aire alcanza niveles teóricos elevados, con una densidad volumétrica de hasta 6136 Wh/L, otorgándole una capacidad de almacenamiento excepcional, especialmente útil en aplicaciones donde el espacio es limitado.
Además, las baterías Zn-aire presentan una notable estabilidad y seguridad, ya que utilizan un electrolito acuoso en lugar de electrolitos orgánicos inflamables, minimizando los riesgos de incendio o explosión. Esta característica las convierte en una opción segura para aplicaciones estacionarias y ciertos dispositivos electrónicos.
A pesar de estas ventajas, las baterías de Zn-aire enfrentan desafíos técnicos significativos que han limitado su despliegue comercial a gran escala. En cuanto al ciclo de vida y la eficiencia ciclada, el ánodo de zinc tiende a degradarse a lo largo de los ciclos de carga y descarga, generando dendritas que pueden perforar el separador y provocar cortocircuitos. Asimismo, el cátodo de aire es vulnerable a la contaminación ambiental, lo que afecta su rendimiento. Otro reto es la baja eficiencia en la reacción de oxígeno, en particular durante la reacción de evolución de oxígeno (OER) en la fase de carga. Para mejorar esta reacción, se utilizan catalizadores bifuncionales, como los basados en óxidos de metales de transición (níquel, cobalto, manganeso) y carbono dopado, que optimizan la actividad en el cátodo. Finalmente, los electrolitos alcalinos convencionales tienden a reaccionar con el CO2 del aire, formando carbonatos que reducen la eficiencia y aumentan la resistencia interna de la batería.
En México, el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV), bajo la dirección de la Dra. Lorena Álvarez Contreras, lidera investigaciones innovadoras en el desarrollo de baterías recargables de zinc-aire. Su equipo se enfoca en mejorar los electrocatalizadores y optimizar la composición del ánodo y del electrolito para extender la vida útil y eficiencia de estas baterías. Además, trabaja en la modulación de dopajes de carbono en los electrodos para mejorar la reacción de oxígeno y en el uso de materiales sostenibles que favorecen tanto el rendimiento como el impacto ambiental. Estos desarrollos abren el camino hacia baterías más seguras, eficientes y accesibles.
El CIMAV, a través del grupo de la Dra. Lorena Álvarez Contreras, en colaboración dentro del Nanomat-Lab con los doctores Walter Noé Velázquez Arjona (CIDETEQ) y Minerva Guerra Balcázar (UAQ), ha abordado algunos de estos desafíos, modificando cada uno de los componentes para aumentar la durabilidad y eficiencia. Esto incluye el desarrollo de un sistema basado en un ánodo de Zn dopado, fabricado por electrodeposición, en combinación con un electrolito polimérico cuasi-sólido tipo membrana y un cátodo bifuncional basado en un material compuesto de nanotubos de carbono-grafeno dopado con nitrógeno, incorporando nanoingeniería de defectos y el acoplamiento de hidróxidos dobles laminares, óxidos de metales de transición y materiales atómicamente dispersos (Figura 2). Este enfoque incrementa la funcionalidad de la batería y su durabilidad, permitiendo un mayor número de ciclos de carga y descarga. Los ciclos de carga y descarga nos permiten observar cómo envejece la batería; un paralelo útil es comparar el proceso con el uso de una esponja que absorbe y libera agua. Al principio, una esponja nueva absorbe y suelta agua fácilmente, con gran capacidad de retención. Sin embargo, con el uso repetido, la esponja comienza a perder eficiencia: puede absorber menos agua y se seca más rápido. En una batería, un proceso similar ocurre con el tiempo y los ciclos de carga; algunos materiales dentro de la batería empiezan a degradarse, lo que reduce su capacidad de retención de energía y provoca descargas más rápidas.
Hasta ahora, las baterías de zinc-aire han encontrado aplicaciones limitadas en dispositivos de baja potencia y consumo intermitente, como audífonos y dispositivos médicos, donde su alta densidad energética y la baja frecuencia de recarga son adecuadas. Sin embargo, la investigación actual ha logrado avances cruciales en la mejora de la durabilidad y ciclicidad de estas baterías, acercándolas a aplicaciones de mayor escala y uso continuo.
En términos de progreso en la ciclicidad, los científicos están investigando electrolitos no alcalinos y de estado sólido que no reaccionan con el CO2, lo que incrementa la estabilidad durante los ciclos de carga y descarga. Innovaciones recientes incluyen electrolitos neutros y cuasi-sólidos, y el uso de aditivos que limitan la formación de dendritas en el ánodo de zinc. Asimismo, el desarrollo de nuevos materiales para el cátodo ha mejorado la eficiencia y estabilidad de las reacciones de oxígeno, utilizando carbono dopado y catalizadores avanzados que mantienen un rendimiento óptimo después de múltiples ciclos.
A nivel de proyectos y pruebas industriales, instituciones como el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y empresas como Zinc8 Energy Solutions han desarrollado prototipos que prometen aplicaciones en almacenamiento de energía renovable y respaldo en redes eléctricas. Aun así, la comercialización masiva se proyecta para la próxima década, ya que se requieren mejoras en costos de producción y escalabilidad.
El grupo de investigación de la Dra. Álvarez también se dedica a la integración de baterías Zn-aire en sistemas de energía renovable para comunidades rurales de México, especialmente en regiones con acceso limitado a la electricidad. La visión es crear un sistema de almacenamiento de energía autosuficiente que se combine con fuentes como la energía solar o eólica, permitiendo a estas comunidades un acceso constante a electricidad y reduciendo su dependencia de energías contaminantes.
Con los avances tecnológicos en curso, las baterías de zinc-aire están cada vez más cerca de ofrecer una alternativa viable y sostenible a las baterías de ion de litio, especialmente para aplicaciones de almacenamiento estacionario y dispositivos electrónicos que no requieren densidades energéticas tan altas. En los próximos cinco a diez años, se espera que las Zn-aire recargables se afiancen en el sector del almacenamiento de energía a gran escala e incluso incursionen en el sector automotriz.
En conclusión, aunque las baterías de ion de litio dominan el mercado actual, las baterías de zinc-aire representan una alternativa prometedora para la energía sostenible del futuro. Respaldadas por investigaciones pioneras, como las realizadas en CIMAV, estas baterías no solo abordan problemas de sostenibilidad y disponibilidad de recursos, sino que tienen el potencial de transformar el almacenamiento y el uso de la energía a nivel global.
Referencias
BATTERY 2030+ Inventing the Sustainable Batteries of the Future: Research Needs and Future Actions. Roadmap paper (2023). https://battery2030.eu/.
EUROBAT Association of European Automotive and Industrial Battery Manufacturers. Innovation Roadmap 3.0.* (2024) .