El equipo de investigación de la Universidad de Tecnología de Sídney (UTS) y la Universidad de Manchester en el Reino Unido anunció recientemente el desarrollo de una nueva batería de iones de zinc cuya vida útil en ciclos de carga y descarga se extiende un 50% en comparación con las baterías de iones de zinc tradicionales, lo que promete ser una alternativa más segura y sostenible a las baterías de iones de litio en el campo del almacenamiento de energía.
Las baterías de iones de zinc se consideran una solución potencial para el almacenamiento de energía a gran escala (como el almacenamiento de energía solar o eólica a nivel de red) debido a su bajo costo, alta seguridad y características ecológicas. Sin embargo, las baterías de iones de zinc tradicionales se degradan rápidamente los componentes internos durante los ciclos repetidos de carga y descarga, lo que resulta en una vida útil corta. Esta investigación logra dos avances tecnológicos clave, permitiendo que la nueva batería de iones de zinc mantenga una alta capacidad después de 5000 ciclos de carga y descarga, mejorando significativamente su viabilidad comercial.
El equipo de investigación señala en el artículo que el núcleo de los avances tecnológicos radica en dos innovaciones. La primera es la aplicación de materiales de superlattice bidimensionales (2D). Este material consiste en múltiples capas de óxido de manganeso (un óxido de metal de transición común en baterías) y grafeno (hojas de carbono ultradelgadas), formando una superlattice a través de una estructura de "sándwich" de espesor atómico. La segunda es el uso sinérgico del "efecto Jahn-Teller". Este fenómeno cuántico causa deformaciones en átomos específicos en entornos particulares, formando un mecanismo de liberación de estrés a nivel atómico. El equipo de investigación introduce este efecto en la estructura del material, permitiendo que la batería resista el estrés durante la inserción y remoción repetida de iones de zinc, evitando la ruptura estructural.
"Este diseño es equivalente a dotar a la batería de un 'esqueleto flexible', permitiéndole doblarse en lugar de romperse durante los procesos de carga y descarga", explica el equipo de investigación. A través de estas innovaciones, la estabilidad del material catódico de la nueva batería de iones de zinc se mejora significativamente, extendiendo así la vida útil general.
Además, esta batería utiliza electrolitos acuosos, procesos de fabricación a baja temperatura y materiales no tóxicos, simplificando el flujo de producción y reduciendo el impacto ambiental. Su seguridad también es superior a la de las baterías de iones de litio: las baterías de iones de litio tienen riesgos de seguridad debido a su inflamabilidad, mientras que las baterías de iones de zinc no se incendian fácilmente en condiciones de alta temperatura o sobrecarga.
El equipo de investigación enfatiza: "Nuestro enfoque alivia el estrés en los materiales de electrodo mediante el uso sinérgico del efecto Jahn-Teller, proporcionando una estrategia efectiva para extender la vida útil de las baterías recargables". El resultado final es una batería de iones de zinc acuosa de bajo costo, alto rendimiento y duradera, cuya seguridad es significativamente superior a la de las baterías de iones de litio que dependen de metales escasos como cobalto y litio.
Desde la perspectiva de las aplicaciones, esta tecnología promete impulsar la popularización de sistemas de almacenamiento de energía renovable a nivel de red. Dado que el zinc es abundante y de bajo precio, la nueva batería también tiene ventajas en términos de costo-beneficio.
"Esta investigación abre nuevas direcciones para la ingeniería de tensión en materiales bidimensionales", dijo la profesora Wang Guoxiu, autora principal y corresponsal de UTS. Actualmente, el equipo de investigación está colaborando con la industria para avanzar en la transferencia tecnológica, con el objetivo de lograr aplicaciones comerciales a pequeña escala en los próximos tres años.
