Aluminio: otra posible alternativa a las baterías de iones de litio

Tanto en los vehículos eléctricos (EV) de carga rápida como en los dispositivos portátiles, la investigación sobre baterías es un punto de interés en constante evolución para los diseñadores electrónicos. Si bien las baterías a base de litio y plomo han dominado el mercado durante mucho tiempo, estos materiales son propensos a quemarse y a problemas de abastecimiento.
Un recién llegado ha surgido como un material potencial para ser utilizado en la fabricación de baterías, y no es el silicio; es de aluminio.

¿Por qué Aluminio?

El litio, que se encuentra en la mayoría de las baterías de alguna forma, se descompone a partir de roca dura y depósitos de salmuera y se puede crear mezclando algunos productos químicos y minerales. Sin embargo, la utilidad del litio se queda corta cuando carece de materiales complementarios como el cobalto y el fósforo, que enfrentan desafíos de abastecimiento y fabricación.
Mientras tanto, el aluminio es uno de los materiales metálicos más abundantes en la tierra. En los últimos años, la investigación sugiere que las baterías a base de aluminio serían rentables, livianas y fáciles de obtener en comparación con sus contrapartes de litio.

Comparación de aluminio con litio. Imagen utilizada por cortesía de Frontiers in Chemistry

El problema es que el aluminio es difícil de integrar en los electrodos de la batería. Varios grupos de investigación en todo el mundo han buscado formas de integrar el aluminio en los métodos estándar de procesamiento de baterías. A partir de esos estudios, el aluminio ha mostrado conclusiones prometedoras que involucran el almacenamiento de energía y la capacidad de recarga de sólidos; por ejemplo, el aluminio tiene cuatro veces la capacidad volumétrica del análogo de litio.

Batería de aluminio de la Universidad de Cornell

Recientemente, investigadores de la Universidad de Cornell estudiaron varios materiales de bajo costo para crear una batería recargable que se basa en materiales de iones de aluminio.
Dentro de la propia batería, los investigadores observaron un separador de fibra de vidrio que dividía las porciones de ánodo y cátodo de la batería. Esa fibra de vidrio chocó con las partículas de aluminio y terminó en cortocircuito, lo que provocó la falla de la batería.

Aluminio depositado sobre fibras de carbono dentro de la celda de la batería. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Cornell.

Los investigadores resolvieron este problema diseñando un sustrato de fibras de carbono entrelazadas para formar un enlace químico más fuerte con el material de aluminio. A medida que se cargaba la batería, el aluminio se depositaba en la estructura de carbono y se mantenía unido en un sustrato de varias capas, evitando el contacto con el separador de fibra de vidrio.
Este estudio de Cornell sugiere que las baterías de ánodo de aluminio se pueden cargar y descargar de forma reversible en varios pedidos. A partir de su estudio, los investigadores descubrieron que las baterías de aluminio con ánodo de zinc tenían una vida útil prolongada.

El aluminio puede desbloquear capacidades de carga rápida

En el otro lado del mundo, la Universidad Tecnológica de Dalian (DUT) de China se asoció recientemente con la Universidad de Nebraska (UNL) para desarrollar una solución a base de aluminio, confiable, portátil y de carga rápida.
El equipo de investigadores combinados descubrió que para que una batería aceptara capacidades de carga más rápidas, el componente requeriría una gran inyección de corriente. Sin embargo, la introducción de una corriente mayor daría como resultado una caída mayor en la resistencia general.
Los investigadores de DUT y UNL agregaron una red tridimensional de grafeno (que actúa de manera similar a las fibras de carbono de Cornell), evitando que el aluminio se adhiera al separador. El grafeno ayudó a aumentar la capacidad de carga de la batería. Pero una vez que el material de grafeno se apoderó de los aniones que se acumulan en la célula, tuvo dificultades para liberarlos.

Red de grafeno 3D después del secado con dióxido de carbono supercrítico. Imagen utilizada por cortesía de Nature.

Esto significa que, si bien el grafeno y el aluminio son un buen comienzo para mostrar el almacenamiento de energía, es posible que no sean eficientes para disipar la carga en un dispositivo. Para resolver este problema, los desarrolladores necesitarían depositar una cantidad adicional de aluminio para equilibrar el grafeno y permitir que la energía se disipe más fácilmente.
El estudio afirma que una batería de iones de aluminio podría cargar un dispositivo en 0,35 segundos.

"Al-Air" y el futuro de las baterías de aluminio

Como sugieren los investigadores de Cornell y DUT-UNL, la clave para las baterías de aluminio puede estar en un material de capa tridimensional entretejido junto con aluminio. Esto, a su vez, puede crear una celda de batería que ofrece un gran almacenamiento de energía y una rápida disipación de energía.
Algunas empresas ya han comercializado baterías a base de aluminio. Por ejemplo, la startup israelí Phinergy y la Indian Oil Corporation se han unido para crear algo llamado batería "Aluminio-Aire" (Al-Air) para vehículos eléctricos. Esta tecnología funciona cuando la batería Al-Air extrae oxígeno del entorno que la rodea, que reacciona con el agua y el aluminio para generar electricidad. La batería se puede recargar con ánodos y electrolitos nuevos cuando el aluminio se erosiona por completo.

Principio de funcionamiento de una batería de aluminio-aire. Imagen utilizada por cortesía de The Times of India

Si bien las baterías a base de aluminio todavía están muy lejos de la comercialización principal, es posible que con la investigación continua, este material algún día pueda convertirse en una alternativa a las soluciones estándar de iones de litio.

Posibles alternativas a la batería de iones de litio

El aluminio no es de ninguna manera el único material que los investigadores están explorando como alternativa a las baterías de litio. Consulte algunos otros materiales de interés.