Combustible extraído del aire, autonomía de 74 días y 3.500 ciclos: así mueren las baterías antiguas

A medida que el mundo avanza hacia la descarbonización, el principal desafío del sector energético se desplaza hacia el almacenamiento de energía limpia. baterías de iones de litio, que se han convertido en la herramienta de trabajo de los vehículos eléctricos y de los sistemas de generación renovable, están alcanzando los límites de su capacidad. Son caras de fabricar, pierden capacidad con el tiempo y no siempre proporcionan la autonomía o la estabilidad necesarias a gran escala.

Una de las alternativas son las baterías metal-aire, que teóricamente pueden almacenar varias veces más energía que sus equivalentes de iones de litio. Esta perspectiva las hace atractivas para el transporte, la industria aeroespacial y los sistemas de almacenamiento en red. Pero la barrera clave durante mucho tiempo siguió siendo la misma: las reacciones con el oxígeno son lentas, consumen energía y desgastan rápidamente el sistema.

Para superar esta limitación, investigadores de la Universidad de Monash desarrollaron un nuevo catalizador capaz de aumentar radicalmente la eficiencia y la vida útil de las fuentes de energía metal-aire. El equipo de la Facultad de Ingeniería Química y Biológica creó el CoFe-2DSA —un catalizador bimetálico monoatómico a base de cobalto y hierro, incorporado en capas de carbono porosas ultrafinas—. Esta solución acelera tanto la reacción de reducción del oxígeno (ORR) durante la descarga como la reacción de evolución de oxígeno (OER) durante la carga, que eran los cuellos de botella de la tecnología.

En las pruebas, las baterías con cátodo de CoFe-2DSA mostraron mayor capacidad, mayor densidad de potencia y una estabilidad impresionante, soportando miles de ciclos de carga y descarga. Según Parama Chakraborti Banerjee, los principios de diseño de este material pueden aplicarse en otras áreas, desde pilas de combustible hasta sistemas de electrólisis y producción de hidrógeno. Esto es relevante porque los avances en catálisis a menudo resultan universales y afectan a varias tecnologías a la vez.

La clave del éxito es la estructura única. Los científicos emplearon pirolisis en sal fundida para transformar un armazón voluminoso de cobalto-hierro en nanoláminas bidimensionales. Este enfoque abrió más centros activos y creó microporos que mejoran el transporte de carga y de masa. Como resultado, se consiguió aprovechar al máximo los átomos de cobalto y hierro y reducir las pérdidas de material.

Las pruebas mostraron que, como cátodo en una batería zinc-aire, el nuevo catalizador proporciona una densidad de potencia de 229,6 mW/cm², una capacidad específica de 811,5 mA·h/g y mantiene estabilidad durante más de 3 500 ciclos a lo largo de 74 días. Este resultado supera con creces los parámetros de la mayoría de sistemas similares, en los que la caída de capacidad empieza mucho antes.

Cálculos basados en el método del funcional de la densidad confirmaron que los átomos de cobalto y hierro, coordinados mediante dopantes nitrogenados, optimizan las rutas de reacción y la transferencia de electrones, lo que explica la alta eficiencia. Una vida útil superior a tres mil quinientos ciclos hace que CoFe-2DSA sea especialmente prometedor para sistemas de almacenamiento en red, donde se requiere un funcionamiento fiable durante años sin degradación notable.