La ventaja del zinc: seguridad, abundancia y costo
Mientras que el litio es muy limitado, físicamente concentrado y tiene muchos problemas de seguridad (fugas térmicas, incendios); El zinc tiene mucho más uso, cuesta mucho menos y no presenta ningún problema de seguridad.
Las baterías de zinc funcionan con electrolitos acuosos y con una gran combustibilidad de solventes de electrolitos líquidos, lo cual es un riesgo de seguridad asociado con las celdas de iones de litio, que utilizan solventes orgánicos; por lo tanto, el zinc proporciona una alta capacidad volumétrica teórica (5855 Ah/L) y potenciales redox bajos, lo que resulta atractivo para aplicaciones de alta-densidad energética.
Desde hace muchos años (más de unos pocos), las baterías recargables a base de zinc (principalmente níquel zinc y zinc aire) han sido productos limitados debido a los siguientes tres problemas principales: formación de dendritas, evolución de hidrógeno debido a la naturaleza parásita de la reacción y cambios de forma.
Los viejos obstáculos: lo que frenó al zinc
La formación de dendritas se produce con el zinc durante la fase de recarga. Al recargar las baterías de zinc, los depósitos desiguales crean estructuras dendríticas que pueden atravesar el separador de la celda de zinc y provocar un cortocircuito.
La reacción electroquímica que ocurre en la celda y la producción de gas hidrógeno es otra reacción secundaria que resulta en la pérdida de humedad en la celda causando un ciclo de vida limitado.
La forma del electrodo de zinc cambiará durante el proceso de ciclado a medida que el material activo se redistribuya y provocará una pérdida de capacidad y fallas mecánicas.
Las baterías de zinc normalmente han tenido una limitación con respecto al número de ciclos a menos de 200 - 300 ciclos de profundidad en comparación con las baterías de iones de litio- que proporcionan 1000 - 2000 ciclos.
Rompiendo las barreras: avances recientes
Una ola de investigación interdisciplinaria - que abarca la ciencia de los materiales, la nanoingeniería y la electroquímica - está desmantelando sistemáticamente estas barreras.
Ánodos de zinc estructurados 3D:Investigadores de la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. desarrollaron ánodos de zinc porosos, -similares a esponjas, que se adaptan a los cambios de volumen y promueven la deposición uniforme, eliminando esencialmente el crecimiento de dendritas. Estos ánodos han demostrado más de 1500 ciclos a gran profundidad de descarga.
Aditivos de electrolitos y revestimientos "zinc-fóbicos":Agregar trazas de aditivos orgánicos o inorgánicos (p. ej., dodecilsulfato de sodio, óxido de bismuto) al electrolito modifica la morfología de la deposición de zinc. Los enfoques más avanzados utilizan recubrimientos "zinc-fóbicos" que dirigen la deposición en capas planas y densas.
Separadores-de alto rendimiento:El separador compuesto de polímero-cerámica incorpora nuevos separadores reforzados con nanocelulosa- o metal-estructura orgánica (MOF)-que evitan la penetración de las dendritas y al mismo tiempo permiten un rápido transporte iónico.
Lado-Supresión de reacción:Los investigadores han demostrado que al optimizar el uso del pH tampón y agregar inhibidores de corrosión (como compuestos de indio o estaño), se ha producido una disminución significativa en la evolución de hidrógeno a partir de reacciones electroquímicas imprevistas en prototipos de baterías de hidrógeno recientemente desarrollados con eficiencias operativas de Coulombic superiores al 99,7 %.
Oportunidades: dónde brillan las baterías de zinc
Con estos avances, las baterías recargables de zinc están encontrando sus puntos óptimos comerciales - no cara a cara con-las de iones de litio-en los vehículos eléctricos, sino en mercados masivos y desatendidos.
1. Almacenamiento de energía estacionario (red y residencial)
El almacenamiento de larga duración (4 a 12 horas) sigue siendo un desafío debido a los altos costos de los iones de litio por kilovatio-hora de uso. Por el contrario, las baterías a base de zinc--, en particular aquellas que utilizan productos químicos de zinc-aire o zinc-bromo -, tienen costos de materia prima más bajos y han demostrado ser no-inflamables, lo que las convierte en una excelente opción para aplicaciones de respaldo-a escala de servicios públicos y de almacenamiento solar-plus-. Muchas empresas emergentes en China y EE. UU., incluidas Eos Energy Enterprises y Zinc8 Energy Solutions, han comenzado a implementar sistemas de baterías basados en escala de megavatios.
2. Dispositivos portátiles y de IoT
Las baterías de zinc de película delgada- flexibles son excelentes candidatas para su uso en dispositivos como relojes inteligentes, parches médicos y sensores ambientales. El electrolito acuoso dentro de estas baterías es seguro para su uso en la piel humana, y la capacidad de las baterías también se pueden imprimir en sustratos flexibles debería dar lugar a múltiples métodos de fabricación que los iones de litio-no pueden igualar. Por ejemplo, investigadores de la Universidad Nacional de Singapur imprimieron recientemente una batería de zinc recargable en una lente de contacto.
3. Reemplazo del plomo-ácido
Las baterías de plomo-ácido siguen siendo el tipo de batería predominante para su uso como energía de respaldo, para carritos de golf y montacargas, entre otros; sin embargo, normalmente tienen una densidad energética muy baja y representan amenazas importantes para el medio ambiente debido a su toxicidad. Por otro lado, se ha descubierto que las baterías de zinc almacenan el doble de energía en comparación con una batería de plomo-ácido, normalmente tendrán un ciclo de vida mucho más largo que las baterías de plomo-ácido y podrían reciclarse sin ninguno de los materiales peligrosos asociados con el plomo. La mayoría de los fabricantes de carretillas elevadoras están probando actualmente paquetes de baterías de zinc-níquel.
El camino por delante: del laboratorio al mercado
Si bien el progreso es innegable, la comercialización aún está en las primeras etapas. Los principales desafíos pendientes incluyen:
Ampliación de la fabricación uniforme de electrodos- los avances de laboratorio a menudo se basan en aditivos exóticos o procesamientos complejos que aumentan los costos.
Normalización- a diferencia de Li-ion con formatos 18650/21700 bien-establecidos, las baterías de zinc carecen de factores de forma-que abarquen toda la industria.
Vida útil-a largo plazo- la mayoría de los estudios publicados muestran un ciclo de vida, pero el -envejecimiento en el mundo real bajo carga parcial, cambios de temperatura y uso intermitente aún no se ha demostrado.
Sin embargo, la inversión se está acelerando. Sólo en 2025, la financiación de riesgo para la puesta en marcha de baterías de zinc superó los 400 millones de dólares, y el "Long Duration Storage Shot" del Departamento de Energía de EE. UU. apunta específicamente al zinc como una química prioritaria. Mientras tanto, China ha incluido baterías de zinc-aire en su decimocuarto plan quinquenal-para almacenamiento de energía.
Conclusión: un futuro complementario, no competitivo
Aunque las baterías de zinc están designadas como de segundo-nivel después de las de iones de litio, no las "matarán"; simplemente tendrán muchas aplicaciones que se han considerado no calificadas para el litio o para las cuales el litio es demasiado costoso a gran escala o incluso potencialmente peligroso cuando se usa en bienes de consumo. Al aprovechar las características de los atributos de las baterías de zinc junto con los avances recientes, serán la segunda base/bloque en el ecosistema emergente de almacenamiento de energía posterior al litio.
