Las baterías de iones de aluminio son una clase de batería recargable en la que los iones de aluminio sirven como portadores de carga . El aluminio puede intercambiar tres electrones por ion. Esto significa que la inserción de un Al 3+ equivale a tres iones Li + . Por lo tanto, dado que los radios iónicos de Al 3+ (0,54 Å ) y Li + (0,76 Å) son similares, los cátodos pueden aceptar un número significativamente mayor de electrones e iones de Al 3+ con poco daño. [1] [2] El Al tiene 50 veces (23,5 megavatios-hora m -3) la densidad energética del Li y es incluso mayor que el carbón. [3]
El portador de carga trivalente, Al 3+, es tanto la ventaja como la desventaja de esta batería. [4] Si bien la transferencia de 3 unidades de carga por un ion aumenta significativamente la capacidad de almacenamiento de energía, la intercalación electrostática de los electrodos con un catión trivalente es demasiado fuerte para un comportamiento electroquímico bien definido. Teóricamente, la capacidad gravimétrica de las baterías de Al-ion es de 2980 mAh/g mientras que su capacidad volumétrica sería de 8046 mAh/ml para la disolución de Al en Al 3+ . [5] [6] En realidad, sin embargo, la reacción redox es más complicada e involucra otros reactivos como el AlCl 4 - . Teniendo esto en cuenta, la capacidad gravimétrica teórica pasa a ser 67 mAh/g. [5]
Las baterías recargables a base de aluminio ofrecen posibilidades de bajo costo y baja inflamabilidad, junto con una alta capacidad. [7] La inercia y la facilidad de manipulación del aluminio en un entorno ambiental ofrecen mejoras de seguridad en comparación con las baterías de iones de litio . Las baterías de iones de aluminio pueden ser más pequeñas y también tener más ciclos de carga y descarga. Por lo tanto, las baterías de iones de Al tienen el potencial de reemplazar a las baterías de iones de Li . [2]
Como todas las demás baterías, las de iones de aluminio incluyen dos electrodos conectados por un electrolito . A diferencia de las baterías de iones de litio, donde el ion móvil es Li + , el aluminio forma un complejo con el cloruro en la mayoría de los electrolitos y genera un portador de carga móvil aniónico, generalmente AlCl 4 − o Al 2 Cl 7 − . [8]
La cantidad de energía o potencia que una batería puede liberar depende de factores que incluyen el voltaje, la capacidad y la composición química de la celda de la batería. Una batería puede maximizar sus niveles de producción de energía mediante:
Actualmente, el electrolito más comúnmente utilizado para baterías recargables de Al son los líquidos iónicos (IL) no acuosos, ácidos y a temperatura ambiente, hechos de cloruro de aluminio (AlCl 3 ) y cloruro de 1-etil-3-metilimidazolio ([EmIm]Cl). [5] [6] [10] [11] Esto abordó el problema inicial que impedía que las baterías de Al se volvieran recargables: el Al reacciona fácilmente para formar una capa de óxido pasivante que es químicamente inerte y se necesita un potencial extremadamente alto para empujar los iones a través de esta. capa. [10] Este alto potencial degradaría el electrolito durante la recarga. [10] El uso del líquido iónico como electrolito evita la pasivación y permitió que las baterías de Al se volvieran recargables. [10] Como se mencionó anteriormente, las especies activas en el electrolito IL son AlCl 4 - y Al 2 Cl 7 - . [10] [12]
Este electrolito también enfrenta múltiples desafíos. A la vanguardia de esos desafíos está su sensibilidad a la humedad. [10] [12] El electrolito y el agua reaccionan exotérmicamente para formar gases como H 2 , Cl 2 y HCl, lo que provoca expansión/distorsión de la celda y reducción del rendimiento (menor eficiencia de Coulombic, disminución irreversible de la capacidad). [11] [12] El resultado final es una celda inestable, problemas de seguridad debido a fugas y corrosión, y requisitos de fabricación más complejos y costosos. [10] [11] [12] Los electrolitos líquidos también se han enfrentado a problemas como una mala interfaz electrodo-electrolito. [13] Todas estas cuestiones tienen una aplicación práctica limitada de la célula.
Algunos han abordado estos problemas reemplazando el IL líquido con un electrolito de IL en gel. El gel IL utiliza una estructura polimérica que ayuda a mitigar los efectos de la humedad al inhibir la reacción del IL con el agua. [12] [13] Esta solución ha enfrentado sus propios problemas, como la resistencia mecánica relativamente pobre del polímero [13] y, aunque reduce la sensibilidad a la humedad, el problema persiste. [12] Otra solución que ha sido de interés es el uso de electrolitos de estado sólido o cuasi-sólido. [12] [13] Un ejemplo de un electrolito de estado cuasi sólido es el uso de una estructura organometálica (MOF) a base de circonio impregnada con IL como en el trabajo de Huang et al. [12] El MOF proporciona protección al IL al reducir el contacto con la humedad. [12] Además de mejorar la estabilidad de la humedad, la ventaja adicional de esta solución es su mayor seguridad y su arquitectura flexible. [13]
En general, el electrolito de las baterías recargables de Al debe cumplir los siguientes requisitos:
Las baterías de iones de aluminio son conceptualmente similares a las de iones de litio , excepto que el aluminio es el portador de carga en lugar del litio. Mientras que el voltaje teórico de las baterías de iones de aluminio es inferior al de las baterías de iones de litio, 2,65 V y 4 V respectivamente, el potencial de densidad de energía teórica de las baterías de iones de aluminio es de 1060 Wh/kg en comparación con el límite de 406 Wh/kg de las baterías de iones de litio. . [15]
Las baterías de iones de litio actuales tienen una alta densidad de potencia (carga/descarga rápida) y una alta densidad de energía (mantienen mucha carga). También pueden desarrollar dendritas que pueden provocar cortocircuitos e incendiarse, mientras que el electrolito líquido iónico no volátil y no inflamable de la batería de Al mejora su seguridad. [14] El uso de ánodo de metal Al en comparación con el metal Li también proporciona mayor seguridad ya que el primero tiene una mejor estabilidad al aire. [14] El aluminio también transfiere energía de manera más eficiente debido a sus 3 electrones. [16] El aluminio es más abundante y cuesta menos que el litio, lo que reduce los costos de los materiales. [17]
Las baterías de iones de aluminio tienen hasta la fecha una vida útil relativamente corta . La combinación de calor, tasa de carga y ciclos puede afectar dramáticamente la capacidad energética. Una de las razones es la fractura del ánodo de grafito. Los átomos de Al son mucho más grandes que los átomos de Li. [18]
Los electrolitos iónicos, si bien mejoran la seguridad y la estabilidad a largo plazo de los dispositivos al minimizar la corrosión, son caros y, por tanto, pueden resultar inadecuados. [19]
Varios equipos de investigación están experimentando con aluminio para producir mejores baterías. Los requisitos incluyen costo, durabilidad, capacidad, velocidad de carga y seguridad.
En 2021, los investigadores anunciaron una celda que utilizaba un ánodo estructurado en 3D en el que capas de aluminio se acumulan uniformemente sobre una estructura de fibra de carbono entretejida mediante enlaces covalentes a medida que se carga la batería. El ánodo más grueso presenta una cinética más rápida y el prototipo funcionó durante 10.000 ciclos sin signos de falla. [20]
Alrededor de 2010, [15] el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) desarrolló y patentó un dispositivo de alta densidad de energía , que producía 1.060 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). [17] ORNL utilizó un electrolito iónico, en lugar del típico electrolito acuoso que puede producir gas hidrógeno y corroer el ánodo. El electrolito se preparó a partir de cloruro de 3-etil-1-metilimidazolio con un exceso de tricloruro de aluminio . [21] Sin embargo, los electrolitos iónicos son menos conductores, lo que reduce la densidad de potencia. Reducir la separación ánodo/cátodo puede compensar la conductividad limitada, pero provoca calentamiento. ORNL ideó un cátodo compuesto de óxido de espinela y manganeso que redujo aún más la corrosión. [15]
En 2011, un equipo de investigación utilizó el mismo electrolito que ORNL, pero utilizó nanocables de óxido de vanadio para el cátodo. [22] El óxido de vanadio tiene una estructura cristalina abierta con una mayor superficie y un recorrido reducido entre el cátodo y el ánodo. El dispositivo produjo un gran voltaje de salida. Sin embargo, la batería tenía una eficiencia coulómbica baja . [21]
En abril de 2015, investigadores de la Universidad de Stanford afirmaron haber desarrollado una batería de iones de aluminio con un tiempo de recarga de aproximadamente un minuto (para una capacidad de batería no especificada). [7] Su celda proporciona aproximadamente 2 voltios, 4 voltios si se conectan en una serie de dos celdas. [7] [23] El prototipo duró más de 7500 ciclos de carga y descarga sin pérdida de capacidad. [24] [25]
La batería estaba hecha de un ánodo de aluminio, electrolito líquido, espuma aislante y un cátodo de grafito . Durante el proceso de carga, los iones AlCl 4 − se intercalan entre las capas apiladas de grafeno. Durante la descarga, los iones AlCl 4 − se desintercalan rápidamente a través del grafito. La celda mostró una alta durabilidad, soportando más de 10.000 ciclos sin pérdida de capacidad. La celda era estable, no tóxica, flexible y no inflamable. [26]
En 2016, el laboratorio probó estas células colaborando con el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial (ITRI) de Taiwán para alimentar una motocicleta utilizando un electrolito costoso. En 2017, se probó un electrolito a base de urea que costaba aproximadamente el 1% del costo del modelo de 2015. [27] La batería exhibe una eficiencia coulómbica de ~99,7 % y una capacidad de velocidad de a una capacidad catódica de (1,4 C). [28]
En junio de 2015, un consorcio de fabricantes de materiales y componentes y ensambladores de baterías lanzó el proyecto Baterías recargables de iones de aluminio de alta energía específica para fuentes de generación de electricidad descentralizadas (ALION) como un proyecto europeo Horizonte 2020 liderado por el instituto de investigación LEITAT . [29] [30] El objetivo del proyecto es desarrollar un prototipo de batería de iones de Al que podría usarse para almacenamiento a gran escala a partir de fuentes descentralizadas. El proyecto buscaba conseguir una densidad energética de 400 Wh/kg, un voltaje de 48 voltios y una vida de carga-descarga de 3000 ciclos. La impresión 3D de los paquetes de baterías permitió desarrollar grandes celdas de iones de Al, con voltajes que oscilan entre 6 y 72 voltios. [31]
En 2016, un equipo de la Universidad de Maryland informó sobre una batería de aluminio/azufre que utiliza un compuesto de azufre/carbono como cátodo. La química proporciona una densidad de energía teórica de 1340 Wh/kg. La celda prototipo demostró una densidad de energía de 800 Wh/kg durante más de 20 ciclos. [32]
En 2022, los investigadores del MIT informaron sobre un diseño que utilizaba ingredientes baratos y no inflamables, incluido un ánodo de aluminio y un cátodo de azufre, separados por un electrolito de sal de cloroaluminato fundido. El prototipo resistió cientos de ciclos de carga y se cargó rápidamente. Pueden funcionar a temperaturas de hasta 200 °C (392 °F). A 110 °C (230 °F), las baterías se cargaron 25 veces más rápido que a 25 °C (77 °F). Esta temperatura se puede mantener mediante el ciclo de carga/descarga. La sal tiene un punto de fusión bajo y previene la formación de dendritas. [33] Una posible aplicación son las estaciones de carga, donde una batería precargada podría permitir que la estación cargue más vehículos simultáneamente sin una costosa actualización de la línea eléctrica. [34] La empresa derivada Avanti, cofundada por uno de los investigadores, está intentando comercializar el trabajo. [33]
En 2019, los investigadores propusieron utilizar antraquinona como cátodo en una batería de iones de aluminio. [35]
En 2019, investigadores de la Universidad Tecnológica de Queensland desarrollaron electrodos a base de criptomelano como cátodo para una batería de iones de aluminio con un electrolito acuoso. [36]
En 2017, investigadores del Clemson Nanomaterials Institute utilizaron un electrodo de grafeno para intercalar tetracloroaluminato ( AlCl−
4). [8] El equipo construyó baterías con ánodos de aluminio, cátodos de grafeno de pocas capas prístinos o modificados y un líquido iónico con sal de AlCl3 como electrolito. [8] Afirmaron que la batería puede funcionar durante 10.000 ciclos con una densidad de energía de 200 Wh/kg. [37]
En diciembre de 2017, un equipo de la Universidad de Zhejiang anunció una batería que utilizaba películas de grafeno como cátodo y aluminio metálico como ánodo.
El diseño 3H3C (Trihigh Tricontinuous) da como resultado un cátodo de película de grafeno con excelentes propiedades electroquímicas. El grafeno de cristal líquido formó una estructura altamente orientada. El recocido a alta temperatura bajo presión produjo una estructura de grafeno de alta calidad y alta canalización. Propiedades reclamadas: [38] [39]
Otro enfoque para una batería de aluminio es utilizar reacciones redox para cargar y descargar. El proceso de carga convierte el óxido de aluminio o el hidróxido de aluminio en aluminio iónico mediante electrólisis , normalmente en una fundición de aluminio . Esto requiere temperaturas de 800 °C (1470 °F). Un informe estimó la posible eficiencia en alrededor del 65%. Aunque el aluminio iónico se oxida en presencia de aire, esto cuesta menos del 1% de la capacidad de almacenamiento de energía. [3]
La descarga de la batería implica la oxidación del aluminio, normalmente con agua a temperaturas inferiores a 100 °C. Esto produce hidróxido de aluminio e hidrógeno iónico. Este último puede producir electricidad mediante una pila de combustible . La oxidación en la pila de combustible genera calor, que puede contribuir al calentamiento de espacios o agua. [3]
Un proceso de mayor temperatura podría respaldar aplicaciones industriales. Funciona a más de 200 °C, haciendo reaccionar aluminio con vapor para generar óxido de aluminio, hidrógeno y calor adicional. [3]
El aluminio iónico podría almacenarse en la fundición. Un método carga la batería en una fundición y la descarga dondequiera que se necesite energía y calor. [3] Alternativamente, la electricidad podría inyectarse a la red en la fundición, sin necesidad de transporte, aunque para una máxima eficiencia de ida y vuelta, el calor tendría que usarse en el sitio de la fundición.
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