Las baterías de aluminio-aire (baterías Al-aire) producen electricidad a partir de la reacción del oxígeno del aire con el aluminio . Tienen una de las densidades energéticas más altas de todas las baterías, pero no se utilizan ampliamente debido a los problemas con el alto costo del ánodo y la eliminación de subproductos cuando se utilizan electrolitos tradicionales. Esto ha restringido su uso principalmente a aplicaciones militares. Sin embargo, un vehículo eléctrico con baterías de aluminio tiene el potencial de alcanzar hasta ocho veces la autonomía de una batería de iones de litio con un peso total significativamente menor. [1]
Las baterías de aluminio-aire son celdas primarias , es decir, no recargables. Una vez que el ánodo de aluminio se consume por su reacción con el oxígeno atmosférico en un cátodo sumergido en un electrolito a base de agua para formar óxido de aluminio hidratado , la batería ya no produce electricidad. Sin embargo, es posible recargar mecánicamente la batería con nuevos ánodos de aluminio fabricados a partir del reciclaje del óxido de aluminio hidratado. Este reciclaje sería esencial para que las baterías de aluminio-aire se adoptaran ampliamente.
Los vehículos propulsados por aluminio han sido objeto de debate durante algunas décadas. [2] La hibridación mitiga los costos y en 1989 se informó sobre pruebas en carretera de una batería híbrida de aluminio-aire/plomo-ácido en un vehículo eléctrico. [3] En 1990 se presentó en Ontario una minivan híbrida enchufable propulsada por aluminio. [4]
En marzo de 2013, Phinergy [5] publicó un video de demostración de un automóvil eléctrico que utilizaba celdas de aire y aluminio y que recorrió 330 km utilizando un cátodo especial e hidróxido de potasio. [6] El 27 de mayo de 2013, el noticiero vespertino del canal 10 israelí mostró un automóvil con una batería Phinergy en la parte trasera, que afirmaba tener una autonomía de 2000 kilómetros (1200 millas) antes de que fuera necesario reemplazar los ánodos de aluminio. [7]
La semirreacción de oxidación del ánodo es Al + 3OH−
→ Al(OH)
3+ 3e − +2,31 V.
La semirreacción de reducción del cátodo es O
2+ 2 horas
2O + 4e− → 4OH−
+0,40 V.
La reacción total es 4Al + 3O
2+ 6 horas
2O → 4Al(OH)
3+2,71 V.
Estas reacciones generan una diferencia de potencial de aproximadamente 1,2 voltios , que se puede lograr en la práctica si se utiliza hidróxido de potasio como electrolito. El electrolito de agua salada alcanza aproximadamente 0,7 voltios por celda.
El voltaje específico de la celda puede variar dependiendo de la composición del electrolito, así como de la estructura y los materiales del cátodo.
Otros metales pueden utilizarse de forma similar, como el litio-aire , el zinc-aire , el manganeso-aire y el sodio-aire, algunos con una mayor densidad energética. Sin embargo, el aluminio es atractivo por ser el metal más estable. [8]
Yang y Knickle han estudiado el aluminio como "combustible" para vehículos. [1] En 2002, concluyeron:
El sistema de batería de aluminio/aire puede generar suficiente energía y potencia para autonomías de conducción y aceleración similares a las de los automóviles a gasolina... el costo del aluminio como ánodo puede ser tan bajo como US$ 1,1/kg siempre que el producto de la reacción se recicle. La eficiencia total del combustible durante el proceso de ciclo en los vehículos eléctricos (VE) de aluminio/aire puede ser del 15% (etapa actual) o del 20% (proyectado), comparable a la de los vehículos con motor de combustión interna (ICE) (13%). La densidad energética de la batería de diseño es de 1300 Wh/kg (actual) o 2000 Wh/kg (proyectada). El costo del sistema de batería elegido para evaluar es de US$ 30/kW (actual) o US$ 29/kW (proyectado). Se realizó un análisis del ciclo de vida de los VE de aluminio/aire y se comparó con los VE de plomo/ácido y níquel-hidruro metálico (NiMH). Solo los VE de aluminio/aire pueden proyectarse con una autonomía de viaje comparable a los ICE. De este análisis se desprende que los vehículos eléctricos de aluminio y aire son los candidatos más prometedores en comparación con los de combustión interna en términos de autonomía, precio de compra, costo del combustible y costo del ciclo de vida.
Aún quedan por resolver algunos problemas técnicos para que las baterías de aluminio y aire sean adecuadas para los vehículos eléctricos. Los ánodos de aluminio puro se corroen por el electrolito, por lo que el aluminio suele estar aleado con estaño u otros elementos. La alúmina hidratada que se crea mediante la reacción en la celda forma una sustancia gelatinosa en el ánodo y reduce la producción de electricidad. Este es un problema que se está abordando en el trabajo de desarrollo de celdas de aluminio y aire. Por ejemplo, se han desarrollado aditivos que forman la alúmina en forma de polvo en lugar de gel.
Los cátodos de aire modernos constan de una capa reactiva de carbono con un colector de corriente de rejilla de níquel , un catalizador (por ejemplo, cobalto ) y una película de PTFE hidrófoba porosa que evita la fuga de electrolito. El oxígeno del aire pasa a través del PTFE y luego reacciona con el agua para crear iones de hidróxido. Estos cátodos funcionan bien, pero pueden ser costosos.
Las baterías tradicionales de aluminio y aire tenían una vida útil limitada [9] porque el aluminio reaccionaba con el electrolito y producía hidrógeno cuando la batería no se utilizaba; esto ya no sucede con los diseños modernos. El problema se puede evitar almacenando el electrolito en un tanque fuera de la batería y transfiriéndolo a esta cuando se requiere su uso.
Estas baterías se pueden utilizar como baterías de reserva en centrales telefónicas y como fuentes de energía de respaldo .
Otro problema es el coste de los materiales que se deben añadir a la batería para evitar la caída de potencia. El aluminio sigue siendo muy barato en comparación con otros elementos utilizados para construir baterías. El aluminio cuesta 2,51 dólares el kilogramo, mientras que el litio y el níquel cuestan 12,59 y 17,12 dólares el kilogramo respectivamente. Sin embargo, otro elemento que se suele utilizar en el aire de aluminio como catalizador en el cátodo es la plata, que cuesta unos 922 dólares el kilogramo (precios de 2024). [10]
Las baterías de aluminio-aire pueden convertirse en una solución eficaz para aplicaciones marinas debido a su alta densidad energética, bajo costo y abundancia de aluminio, sin emisiones en el punto de uso en barcos y buques. AlumaPower, [11] Phinergy Marine, [12] Log 9 Materials , RiAlAiR [13] y varias otras empresas comerciales están trabajando en aplicaciones comerciales y militares en el entorno marino.
Se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos sobre electrolitos alternativos, más seguros y de mayor rendimiento, como disolventes orgánicos y líquidos iónicos. [8] Otros, como AlumaPower, se están centrando en métodos mecánicos para mitigar muchos de los problemas históricos con las baterías de aluminio-aire. La patente de AlumaPower ( US US10978758B2 ) ilustra un método que hace girar el ánodo, lo que elimina los patrones de desgaste y la corrosión del ánodo. La patente afirma además que el diseño puede utilizar cualquier chatarra de aluminio, incluidas latas de refrescos refundidas y bloques de motor.