Las energías renovables, tales como las solares y eólicas, han adquirido una mayor importancia en los últimos años, debido a una creciente preocupación por el cambio climático que conlleva la necesidad de reducir los combustibles fósiles. Sin embargo, la aplicación de estas fuentes de energía se ve limitada debido su naturaleza intermitente. Es por esto que es necesario contar con dispositivos que almacenen la energía generada, siendo estos principalmente baterías electroquímicas recargables.

Hoy en día existen diversos tipos de baterías. En el presente ensayo se utilizarán como objeto de investigación las baterías de zinc, las cuales podrían ser el futuro para el almacenamiento de energía. El objetivo de este ensayo es analizar investigaciones efectuadas sobre baterías a base de zinc y describir sus posibles ventajas y actuales falencias.

En primer lugar se describirán distintos tipos de baterías, luego se analizarán algunas investigaciones respecto a baterías a base de zinc, enfocándose en las baterías de flujo a base de zinc-aire, explicando cuáles son sus posibles ventajas y actuales dificultades de desarrollo. Posteriormente se señalarán distintas empresas y universidades que emplean bancos de baterías de zinc, para luego finalizar con las conclusiones.

Tipos de baterías

Generalmente, las baterías se fabrican con dos electrodos, un ánodo y un cátodo. En el ánodo o electrodo negativo se produce la reacción de oxidación del material que lo compone, dando lugar a la liberación de electrones. Estos son transportados hacia el cátodo o electrodo positivo, en donde se produce la reacción de reducción. Dependiendo de los materiales utilizados en el ánodo y el cátodo, se podrán obtener características de las baterías, como lo son su voltaje nominal, la energía especifica, la densidad de energía o la potencia especifica (Iruin, 2020).

Actualmente existen dos clasificaciones para las baterías: primarias o de un solo uso y secundarias o recargables. “Las baterías primarias están hechas de células electroquímicas cuya reacción electroquímica no se puede revertir” (Diferentes tipos de baterías y sus aplicaciones | Constant Reader, 2020, sección baterías primarias). Es decir, no son recargables y son empleadas en aplicaciones que requieren un suministro de bajo coste y que no presenten dificultades en el reemplazo. Algunas de estas son: alcalinas, zinc-aire, mercurio, entre otras. Las secundarias son aquellas baterías que, cuando se les aplica un determinado voltaje, se revierte su reacción electroquímica, permitiendo su recarga. Estas son instaladas en sectores en donde no es factible el uso de baterías de desechables. Algunos ejemplos de estas son: plomo ácido, níquel cadmio, ion litio, entre otras.

Las baterías secundarias son capaces de alimentar equipos de baja capacidad, como teléfonos móviles, electrodomésticos y equipos médicos, entre otros aparatos, pero también son utilizadas en servicios pesados, como vehículos eléctricos y sistemas de alimentación eléctrica. Gracias a su capacidad de recargar, se pueden combinar con fuentes de energías renovables, logrando así almacenar la energía producida en los periodos de generación, para luego satisfacer los requerimientos eléctricos.

En la Figura N° 1 se muestran las características de las baterías secundarias más comunes. Las baterías de litio son las que presentan una mayor densidad de energía y vida útil. Sin embargo, sus principales desventajas son su baja seguridad debido a una elevada volatilidad y riesgo de inflamación. Además, junto a las baterías de plomo y níquel, generan una elevada contaminación medioambiental cuando son desechadas.

Si bien existen varios tipos de baterías recargables, Iruin (2020) menciona que estas no logran satisfacer los requerimientos para almacenar la energía producida por fuentes de energías renovables, principalmente por costos elevados, excesiva contaminación, problemas de seguridad o capacidad reducida. Es por estas razones que se necesita desarrollar nuevas tecnologías capaces de almacenar energía, que logren solucionar las limitaciones antes mencionadas (p. 7).

Baterías de flujo a base de zinc

En los últimos años, se han realizado estudios para buscar solucionar la reversión de la reacción electroquímica de las baterías primarias de zinc. Esto debido a que estas presentan una densidad de energía de hasta 1400 Wh L-1, una capacidad para operar entre -10 a 55 ºC y se pueden almacenar durante tiempos prolongados, sin pérdida de su capacidad de descarga (Iruin, 2020). Además, este mineral posee las ventajas de ser abundante en la tierra, tener bajos costos de extracción, alta capacidad y ser estable en soluciones acuosas y de aire (Yuan et al., 2019).

Una de las propuestas son las baterías de flujo a base de zinc. Yuan et al. (2019) describe que:

Una batería de flujo realiza la transformación de energía química a energía eléctrica a través de reacciones de oxidación y reducción de pares redox, almacenados en electrolitos que típicamente circulan a través del ánodo y cátodo, que se encuentran normalmente separados por una membrana conductora de iones. . . . Normalmente, el electrolito de una batería de flujo consiste en una solución acuosa, que dota a la tecnología con una mayor seguridad y un mínimo potencial de riesgo de incendio o explosión. Estas ventajas . . . hacen que estos dispositivos sean muy adecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía (pág. 1).

Un beneficio que se obtiene al utilizar baterías de flujo es que, a diferencia de las de plomo o litio, estas tienen un diseño flexible y adaptable, ya que su capacidad se verá reflejada en el volumen del electrolito y la potencia estará dada al unir estas celdas. En cambio, las otras deben ser apiladas, tanto en serie como en paralelo para lograr una batería de gran capacidad y potencia, debido a que poseen dimensiones de fábrica que no se pueden modificar.

Las baterías de flujo se categorizan según el pH de su electrolito, que puede ser de base neutra o ácida y de base alcalina. Yuan et al. (2019) indica que algunos ejemplos de baterías de base neutra o ácida son: zinc-cerio, zinc-tempo y zinc-bromo o yodo. Respecto a las de base alcalina, algunas de estas son de zinc-yodo y zinc-níquel o zinc-aire (p. 4).

Cuando el ánodo de zinc se somete a procesos de cargas y descargas en un medio neutro o ácido, se logran obtener tensiones de hasta -0,763 V (Yuan et al., 2019); cuando se realiza en un medio alcalino, se obtienen hasta -1,25 V (Iruin, 2020; Yuan et al., 2019). Si bien obtener un voltaje mayor en una batería es favorable para su desempeño, cuando se utiliza un medio alcalino esto conlleva a la corrosión del ánodo de zinc, generando reacciones irreversibles en cada proceso de carga y descarga, lo que reduce la ciclabilidad de la batería. A continuación se explicarán los problemas que desarrollan las baterías de zinc-aire.

Baterías de flujo a base de zinc-aire

Estas baterías están diseñadas para que el cátodo esté en permanente contacto con el ambiente, logrando así aprovechar el oxígeno de este para sus reacciones químicas. Cuando ocurre la reacción de oxidación entre el cátodo, el medio alcalino y el CO₂ que se encuentra presente en el ambiente, se produce OH- o sales de carbonato insolubles. Esto provoca una pérdida irreversible de electrolito y una saturación física y química de los poros del cátodo (Iruin, 2020; Sun et al., 2021). Asimismo, cuando el zinc se encuentra en un medio alcalino, “sufre de la formación de dendritas con una gran superficie . . ., depósitos y disoluciones poco uniformes de electrones y una corrosión persistente que consume el electrolito” (Sun et al., 2021). “Las dendritas son depósitos de zinc que crecen en dirección perpendicular al ánodo y pueden llegar a atravesar el sistema hasta llegar al cátodo de aire, produciéndose así un cortocircuito” (Iruin, 2020, p. 29)

Como menciona Iruin (2020), en 1973 Jindra y asociado propusieron la primera batería de zinc-aire a base de un electrolito acuoso de 5M NH4Cl, con un pH de 5 (p. 31). Posteriormente, diversos estudios demostraron que la utilización de un electrolito neutro, con pH entre 4 a 8, es decir, casi neutro, disminuye la formación de dendritas y sales de carbonato insolubles, logrando así resolver uno de los principales problemas al utilizar un electrolito alcalino y aumentar la ciclabilidad. Otra de las ventajas de usar un electrolito neutro es que el coste de producción de este es menor al de uno alcalino.

Diversos experimentos se han realizado para desarrollar baterías capaces de reemplazar las tecnologías actuales, sin éxito hasta el momento. Como menciona Iruin (2020):

En el año 2014, Goh y colaboradores estudiaron el comportamiento electroquímico del electrolito basado en las sales ZnCl2 y NH4Cl. . . . Los autores compararon la respuesta electroquímica de la batería mediante variaciones de pH’s (pH=4-6, ajustado con NH4OH) y la adición de PEG y tiourea como aditivos del electrolito. La formulación óptima dio lugar a una batería secundaria de zinc-aire de más de 1000 h de uso y aproximadamente 100 ciclos de carga y descarga. Además, la caracterización fisicoquímica de los ánodos mostró la ausencia de formación de dendritas de zinc.

El mismo grupo describió posteriormente una formulación electrolítica acuosa neutra basada en las mismas sales pero con una formulación y pH diferentes. . . . Con este electrolito se consiguió llegar a 90 días de uso de una batería secundaria de zinc-aire con unos 500 ciclos y una respuesta electroquímica superior a la de un electrolito acuoso alcalino (pág. 33).

Si bien ambos estudios parecen favorables, fueron realizados con celdas que contenían entre 20 a 30 ml de electrolito. La construcción de celdas con un mayor volumen de electrolito no representa una opción competitiva, debido a un alto peso de los componentes para lograr una energía especifica aceptable.

En otro estudio se utilizó un electrolito a base de NH4Cl y Kcl, obteniendo un pH de 7. Con esto se logró obtener celdas con hasta 900 ciclos de carga y descarga, pero con ciclos de 10 minutos, con una densidad de carga de 0,5 mA cm-2, obteniendo una densidad de energía y energía especifica real baja (Iruin, 2020).

Aplicaciones

Al ser una tecnología relativamente nueva, las baterías a base de zinc-aire aún se encuentran en fase de desarrollo. A pesar de esto, la compañía Zinc8 Energy Solutions se encuentra trabajando en un proyecto para instalar un sistema de baterías a base de zinc-aire de 100 kW y 1,5 Mwh en un sector urbano de Queens, Nueva York, que constará de 32 edificaciones (Colthorpe, 2022). Además, existen más instalaciones de baterías a base de zinc, como por ejemplo:

O    Un sistema de batería de flujo de zinc-níquel simple de 36 kWh, instalado en la universidad City College of New York, utilizado para efectuar pruebas (Yuan et al., 2019).

O    Una batería a base de zinc-bromo de 500 kWh, instala por Ensync Energy en la universidad Illinois Institute of Technology, empleada en una micro-red eléctrica (Yuan et al., 2019).

O    Un sistema de batería de zinc-bromo de 0,5 MW y 3 Mwh, instalado en 2016 por la empresa Vionx Energy en Massachusetts, empleada para aplicaciones de capacidad de potencia máxima (Yuan et al., 2019).

Conclusiones

O    Mediante esta investigación, fue posible comprobar las ventajas y desventajas que poseen las baterías a base de zinc. De la misma forma, se logró señalar la existencia de diversas instituciones y empresas enfocadas en desarrollar, confeccionar y utilizar bancos de baterías para distintas aplicaciones.

O    Las baterías de zinc presentan la capacidad de ser fuentes de almacenamiento de energías con mayores ventajas competitivas respecto a las tecnologías actuales, debido a que son construidas con materiales más asequibles, generan menor contaminación y son más seguras.

O    El uso de un electrolito neutro disminuye la formación de dendritas y sales insolubles, logrando aumentar la vida útil de la batería.

O    Si bien en los últimos años se ha logrado solventar la irreversibilidad de las baterías primarias de zinc, estas aún se encuentra en desarrollo para lograr optimizar cada uno de los componentes.

Lista de referencias

1. Colthorpe, A. (2022, enero 24). NYSERDA trials long-duration zinc battery storage at community apartments in New York City. https://www.energy-storage.news/nyserda-trials-long-duration-zinc-battery-storage-at-community-apartments-in-new-york-city/
2. Diferentes tipos de baterías y sus aplicaciones | Constant Reader (2020, octubre 23). https://theconstantreader.com/es/diferentes-tipos-de-baterias-y-sus-aplicaciones/.
3. Iruin Amatriain, E. (2020). Desarrollo de baterías secundarias de zinc-aire con electrolitos acuosos alternativos. http://www.tdx.cat/handle/10803/670165.
4. Sun, W., Wang, F., Zhang, B., Zhang, M., Küpers, V., Ji, X., Theile, C., Bieker, P., Xu, K., Wang, C., & Winter, M. (2021). A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry. https://doi.org/10.1126/science.abb9554.
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Bibliografía

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6. Sayigh, A. (2021). Up-date: Renewable energy and climate change. Renewable Energy and Environmental Sustainability. https://doi.org/10.1051/rees/2021004.
7. Sun, W., Wang, F., Zhang, B., Zhang, M., Küpers, V., Ji, X., Theile, C., Bieker, P., Xu, K., Wang, C., & Winter, M. (2021). A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry. https://doi.org/10.1126/science.abb9554.
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