El doble papel del dióxido de manganeso en la industria de las baterías

En las pilas secas de zinc-manganeso, una batería primaria clásica, el dióxido de manganeso es el material del electrodo positivo principal y también sirve como catalizador para suprimir las reacciones secundarias. Las pilas secas de zinc-manganeso se clasifican en ácidas y alcalinas. En sistemas ácidos, como las baterías de carbono-zinc, el dióxido de manganeso (MnO₂) actúa como material activo en la reacción del electrodo positivo: MnO₂ + H⁺ + e⁻ → MnO (OH). Esta reacción, junto con la reacción Zn-2e⁻ → Zn²⁺ en el cilindro negativo de zinc, constituye la reacción general de la batería. En este caso, el MnO₂ desempeña un papel central en la conversión de energía y su contenido afecta directamente la capacidad de la batería. Sin embargo, en sistemas alcalinos, la reacción del electrodo positivo se convierte en MnO₂ + H₂O + e⁻ → MnO (OH) + OH⁻. El entorno alcalino permite una reducción más eficiente del MnO₂, lo que resulta en un voltaje de descarga más estable. Esto aumenta la capacidad de la batería en aproximadamente un 30 % en comparación con los sistemas ácidos, con una utilización superior al 90 %. Además de servir como material activo para los electrodos, el dióxido de manganeso también inhibe las reacciones secundarias. Durante la descarga de la batería, el zinc del electrodo negativo reacciona con el electrolito para producir H₂. La acumulación de H₂ puede aumentar la presión interna de la batería, lo que podría causar fugas o explosiones. El dióxido de manganeso cataliza la oxidación del H₂, convirtiéndolo en agua inocua, lo que garantiza la seguridad de la batería. Además, el dióxido de manganeso posee cierto grado de conductividad, lo que puede reducir la resistencia a la transferencia de carga de la reacción del electrodo positivo, acelerar la transferencia de electrones a través de la superficie del electrodo y mejorar la eficiencia de la descarga.
Si bien el dióxido de manganeso se ha utilizado tradicionalmente en baterías primarias, su aplicación en baterías secundarias (recargables) también está cobrando importancia mediante métodos de modificación de materiales como el nanoescalado y la formación de compuestos. En las baterías secundarias de zinc-manganeso, también conocidas como baterías alcalinas recargables de zinc-manganeso, el dióxido de manganeso se reduce a MnO(OH) durante la descarga. Durante la carga, el MnO(OH) es catalizado por el dióxido de manganeso y se oxida de nuevo a MnO₂. Sin embargo, la adición de agentes conductores como el negro de humo es necesaria para mejorar la reversibilidad. Actualmente, mediante el dopaje con iones metálicos como Co⁺ y Ni⁺, o la creación de estructuras en capas como δ-MnO₂, se ha mejorado la estabilidad de los ciclos de las baterías, logrando una vida útil de 50 a 100 ciclos. En las baterías de iones de litio, el dióxido de manganeso, especialmente α-MnO₂ con su estructura de túnel, se puede utilizar como fase de dopaje o material de recubrimiento en el electrodo positivo, mejorando así su conductividad iónica. Su coeficiente de difusión de iones de litio puede alcanzar 10⁻⁷–10⁻⁹ cm²/s, lo que mejora la capacidad de carga y descarga rápidas de la batería.
El dióxido de manganeso demuestra su valor fundamental en la industria de las baterías gracias a su doble función como "material activo de electrodos y catalizador". En las baterías primarias, desempeña un papel clave en la conversión de energía y suprime las reacciones secundarias. En las baterías secundarias, el diseño estructural puede ampliar su aplicación a sistemas recargables. Sirve como catalizador de bajo coste que sustituye a los metales preciosos en baterías innovadoras como las pilas de combustible y las baterías de metal-aire. En el futuro, con el continuo avance de la tecnología de modificación de materiales, se desatará aún más el potencial de aplicación del dióxido de manganeso en baterías de alta capacidad y larga duración, especialmente en el campo del almacenamiento de energía de bajo coste, donde posee ventajas irremplazables.

Author: Hazel
Date: 2025-07-30