Las baterías de zinc-aire son una variedad de las baterías de metal-aire que aprovechan la oxidación del zinc a partir de oxígeno del aire. En el cátodo el oxígeno del aire oxida el zinc generando electrones que viajan hasta el ánodo produciendo una corriente eléctrica. La tecnología de baterías basadas en zinc-aire surge como una de las más prometedoras para el futuro. Por sus características, pueden ser tan revolucionarias como las de litio y electrolito sólido.
Este tipo de baterías tiene una alta densidad de energía y son relativamente baratas de producir. También tienen el potencial de ser mucho más livianas, al utilizar aire para proporcionar oxígeno como uno de los reactivos. Por lo tanto más económicas que las baterías convencionales, porque tan solo necesitan un polo y el zinc es abundante y barato.
Si bien las de electrolito sólido cuentan con un campo de investigación muy amplio, puesto que puede utilizar parte de la tecnología actual, las baterías de aire-zinc se encuentran relegadas debido sobre todo a la dificultad para su recarga, de forma que solo se han logrado baterías primarias, es decir, de un solo uso. Por esta razón, y aunque existen desde hace mucho tiempo, por lo general, se usan como batería principal (no recargable) en configuraciones de pilas de botón para dispositivos pequeños como relojes o audífonos.
Hacer recargable una batería primaria
Los problemas de este tipo de baterías aparecen cuando se trata de hacer baterías de zinc-aire que sean recargables. En una batería primaria, las partículas de zinc se incorporan a una pasta de ánodo poroso que está saturada con un electrolito. Durante la descarga, en el cátodo, el oxígeno del aire forma iones hidroxilo (OH-) que migran al zinc para formar un compuesto de zinc llamado zincato (Zn(OH)42-). Durante la formación del compuesto, se liberan electrones que se recolectan en el ánodo y pasan a través de un circuito externo, alimentando un dispositivo eléctrico y regresando al cátodo. Mientras tanto, el zincato se convierte en óxido de zinc y agua, que vuelve al electrolito acuoso.
Al invertir este proceso para recargar la batería surgen las dificultades. En primer lugar, durante la carga, al igual que el litio y muchos otros metales, el zinc sufre una deposición desigual en el ánodo. Forma cristales en forma de dendritas puntiagudas que pueden llegar a crecer lo suficiente como para alcanzar el cátodo y provocar un cortocircuito.
Una nueva manera de recargar
En el cátodo, es difícil invertir eléctricamente la reacción para liberar oxígeno de los iones hidroxilo y el agua. Requiere catalizadores que a menudo están hechos de metales caros como el platino, aunque se están realizando investigaciones para utilizar elementos más disponibles comúnmente.
Sin embargo, hay otra forma de sortear las limitaciones del zinc-aire: la recarga mecánica, que evita la formación de dendritas en el ánodo. Se puede usar polvo de zinc fresco para que la batería actúe como si fuera una celda primaria nueva. En lugar de romperse, de descarga de óxido de zinc y se reemplaza todo el ánodo y también el electrolito. Ambos se pueden combinar en la consistencia de una suspensión que se bombea a la batería. Mientras, el óxido de zinc se puede eliminar y volver a convertir en metal de zinc como procesamiento alternativo.
Las nuevas estaciones de recarga
Este proceso se puede considerar como una alternativa para la recarga rápida para vehículos eléctricos. La energía de la red eléctrica opera como un regenerador que convierte el óxido de zinc en zinc y oxígeno. El zinc se combina con un electrolito de hidróxido de potasio, mientras que el oxígeno se libera al aire. Es un proceso continuo, siempre que se aplique energía al regenerador. Las partículas de zinc metálico y el electrolito se bombean a un tanque de almacenamiento, donde permanecen hasta que se necesita energía de la batería.
Para producir electricidad, las partículas de zinc metálico se extraen del tanque de almacenamiento hacia una ‘pila de celdas’ de batería individuales. Allí, el oxígeno de la atmósfera se combina con el zinc metálico, creando óxido de zinc y liberando electrones. El óxido de zinc vuelve al regenerador, donde vuelve a iniciar el proceso que es fácilmente escalable, aumentando el tamaño del tanque de almacenamiento. A diferencia de una batería tradicional, el sistema también se puede cargar y descargar al mismo tiempo.
La recarga mecánica es atractiva, ya que puede proporcionar el mismo tiempo de recarga que el de un tanque de combustible. Al eliminar el óxido de zinc ‘gastado’ y reemplazarlo con zinc metálico nuevo, es posible ‘recargar’ la batería en minutos, en lugar de las horas que puede llevar la recarga normal química de una batería eléctrica. La capacidad, y por lo tanto, la autonomía de un vehículo con una batería de zinc-aire con recarga mecánica depende únicamente del tamaño del tanque de combustible de zinc.
La limitación de las baterías de zinc-aire es el potencial eléctrico. Las celdas individuales trabajan a 1,35-1,4 voltios, aproximadamente la mitad de del que está disponible en una batería de litio. Otro desafío está en el establecimiento de la infraestructura para las estaciones de suministro de zinc metálico en suspensión mientras se retira y se almacena o renueva el óxido de zinc gastado.
Si bien esta no es una dificultad insuperable, sí supone un hándicap frente al sencillo proceso de suministrar electricidad desde la red una batería de iones de litio mediante una estación de carga.
