Desarrollan un método de plasma para catalizadores eficientes en baterías de metal-aire

La búsqueda de soluciones energéticas limpias se ha vuelto crucial debido al impacto global del uso excesivo de combustibles fósiles en la calidad del aire y el clima. En este contexto, las baterías de metal-aire emergen como una alternativa innovadora, con el potencial de reemplazar a los motores de combustión en diversas aplicaciones.

Estas baterías logran convertir electroquímicamente el oxígeno del aire en energía, alcanzando densidades energéticas teóricas hasta doce veces superiores a las de las celdas de iones de litio, lo que se traduce en una eficiencia sin precedentes y cero emisiones operativas.

Desafíos en la adopción de baterías de metal-aire

A pesar de sus ventajas teóricas, las baterías de metal-aire aún no han logrado una viabilidad comercial generalizada debido a varios obstáculos críticos. Los catalizadores de alto rendimiento actuales dependen principalmente de metales preciosos costosos, como el platino y el rutenio, lo que los hace económicamente inviables para la producción masiva.

Además, la mayoría de los materiales de catalizadores existentes son monofuncionales, impulsando eficientemente solo uno de los dos procesos electroquímicos esenciales: la reacción de reducción de oxígeno (ORR) o la reacción de evolución de oxígeno (OER), pero no ambos.

La complejidad de los procesos de síntesis en múltiples etapas requeridos para estos catalizadores también incrementa los costos de fabricación y limita severamente la escalabilidad.

Investigación innovadora aborda las limitaciones de los catalizadores

En este contexto, un equipo de investigación liderado por el Profesor Takahiro Ishizaki del Shibaura Institute of Technology y el Profesor Asistente Sangwoo Chae de la Universidad de Nagoya, Japón, ha estado trabajando arduamente para encontrar soluciones adecuadas a estos problemas.

En su último estudio, publicado en Sustainable Energy & Fuels, reportaron un método revolucionario de un solo paso para crear catalizadores bifuncionales altamente efectivos utilizando materiales abundantes y de bajo costo.

Los investigadores utilizaron el recientemente pionero proceso de plasma de solución (SPP) para la síntesis, creando con éxito compuestos de hidróxido de cobalto-estaño (CoSn(OH)₆) anclados a varios soportes de carbono. Esta es una distinción crítica respecto a la síntesis convencional de catalizadores: a diferencia de los métodos tradicionales de múltiples etapas que requieren surfactantes y un extenso post-procesamiento, el SPP permite una síntesis rápida y en un solo paso a temperatura ambiente y bajo condiciones atmosféricas.

Este enfoque basado en plasma no solo confiere propiedades superficiales únicas que aumentan significativamente la actividad catalítica, sino que también reduce drásticamente la complejidad de fabricación y los costos de producción.

El equipo de investigación produjo sistemáticamente catalizadores con composiciones y estructuras de carbono variadas, probando rigurosamente su rendimiento bifuncional en las reacciones de reducción de oxígeno (ORR) y evolución de oxígeno (OER), los dos procesos clave que determinan la eficiencia general de la batería.

Su catalizador de mejor rendimiento, que combina CoSn(OH)₆ con carbono Ketjen Black, logró resultados notables. Para la evolución de oxígeno, superó al catalizador estándar de la industria, el óxido de rutenio, requiriendo voltajes más bajos para alcanzar las mismas densidades de corriente. En la reducción de oxígeno, mostró un rendimiento comparable al de catalizadores basados en platino mucho más costosos, utilizando únicamente materiales abundantes.

Además, este nuevo catalizador demostró ser bastante duradero, como afirma el Prof. Ishizaki: "Nuestro avanzado compuesto CoSn(OH)₆–Ketjen Black exhibió una excepcional estabilidad a largo plazo, manteniendo su rendimiento superior en la evolución de oxígeno durante más de 12 horas sin degradación, un factor crucial para aplicaciones de baterías en el mundo real".

Notablemente, la capacidad del catalizador para catalizar eficientemente ambas reacciones requeridas representa un avance significativo en el campo. Los investigadores midieron una brecha potencial de solo 0.835 V entre las dos reacciones, lo que permite una conversión de energía altamente eficiente. Esta funcionalidad dual elimina la necesidad de catalizadores separados, reduciendo aún más la complejidad y los costos del sistema.

Un análisis detallado confirma que el rendimiento catalítico superior proviene de interacciones sinérgicas poderosas entre las nanopartículas de (CoSn(OH)₆) y el soporte de carbono.

Los investigadores descubrieron que el proceso de síntesis SPP es clave: asegura una distribución uniforme de nanopartículas activas en la superficie de carbono, maximizando la exposición de los sitios catalíticos mientras garantiza una excelente conductividad eléctrica.

Además, el método ofrece un control preciso sobre el tamaño de las partículas y las propiedades superficiales cruciales, permitiendo una optimización sistemática de la actividad catalítica.

"Este avance tiene un profundo potencial para personalizar y fabricar electrocatalizadores bifuncionales de alto rendimiento, duraderos y de bajo costo para sistemas críticos de conversión de energía", destaca el Prof. Ishizaki. "Ofrece una alternativa material verdaderamente sostenible a los catalizadores basados en metales preciosos utilizados comercialmente".

Implicaciones para el almacenamiento de energía y la industria

Las implicaciones de este trabajo son de gran alcance, prometiendo una revolución en el sector energético. Las baterías de metal-aire impulsadas por estos nuevos catalizadores podrían transformar fundamentalmente el almacenamiento de energía para vehículos eléctricos, ofreciendo un rango significativamente mayor y capacidades de carga más rápidas, al tiempo que reducen los costos generales.

Además, la tecnología tiene un inmenso potencial para el almacenamiento de energía a escala de red, lo cual es crucial para la integración eficiente de fuentes renovables intermitentes como la solar y la eólica en las redes eléctricas. El método de síntesis de un solo paso propuesto ofrece ventajas industriales igualmente profundas.

Al eliminar los complejos procesos de múltiples etapas y la dependencia de materias primas costosas, los fabricantes pueden producir estos catalizadores de alto rendimiento a una fracción del costo actual. Además, la capacidad de sintetizar estos materiales en condiciones ambientales reduce drásticamente el consumo de energía y el impacto ambiental en comparación con los métodos convencionales de alta temperatura y alta presión actualmente utilizados en la producción de baterías y catalizadores.

En general, esta investigación representa un paso crucial y transformador hacia la consecución de un almacenamiento de energía limpio económicamente viable a escala global, preparado para acelerar significativamente la transición esencial lejos de los combustibles fósiles en los sectores de transporte y energía.