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+ es equivalente 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 cantidades significativamente mayores de electrones e iones 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 iones de aluminio 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 AlCl 4 - . Cuando esto se toma en cuenta, la capacidad gravimétrica teórica se convierte en 67 mAh/g. [5]
Las baterías recargables a base de aluminio ofrecen las posibilidades de un bajo costo y una baja inflamabilidad, junto con una alta capacidad. [7] La inercia y la facilidad de manejo 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 pueden tener más ciclos de carga y descarga. Por lo tanto, las baterías de iones de aluminio tienen el potencial de reemplazar a las baterías de iones de litio . [2]
Al igual que todas las demás baterías, las baterías 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 cloruro en la mayoría de los electrolitos y genera un portador de carga móvil aniónico, generalmente AlCl4− o Al2Cl7− . [ 8]
La cantidad de energía o potencia que puede liberar una batería depende de factores como 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 lo siguiente:
Actualmente, el electrolito más comúnmente utilizado para baterías recargables de Al son líquidos iónicos no acuosos a temperatura ambiente (IL) ácidos 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 un recubrimiento de óxido pasivante que es químicamente inerte y es necesario 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 permite que las baterías de Al se vuelvan 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. En 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 que causan expansión/distorsión de la celda y reducción en el rendimiento (menor eficiencia Coulombiana, descomposición 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 han enfrentado problemas como una mala interfaz electrodo-electrolito. [13] Todos estos problemas han limitado la aplicación práctica de la celda.
Algunos han abordado estos problemas reemplazando el IL líquido con un electrolito IL en gel. El IL en gel hace uso de una estructura polimérica que ayuda a mitigar los efectos de la humedad al inhibir que el IL reaccione con el agua. [12] [13] Esta solución ha enfrentado sus propios problemas, como la resistencia mecánica relativamente pobre del polímero [13] y, si bien 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 orgánica metálica (MOF) a base de circonio impregnada con el IL como en el trabajo de Huang et al. [12] La MOF brinda 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 arquitectura flexible. [13]
En general, el electrolito para baterías de Al recargables debe satisfacer los siguientes requisitos:
Las baterías de iones de aluminio son conceptualmente similares a las baterías de iones de litio , excepto que el portador de carga es el aluminio en lugar del litio. Si bien el voltaje teórico de las baterías de iones de aluminio es menor que el 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 (retienen mucha carga). También pueden desarrollar dendritas que pueden cortocircuitarse e incendiarse, mientras que el electrolito líquido iónico no volátil y no inflamable de la batería de aluminio mejora su seguridad. [14] El uso de un ánodo metálico de aluminio en comparación con el de litio también proporciona una mayor seguridad, ya que el primero tiene una mejor estabilidad en el 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 material. [17]
Las baterías de iones de aluminio tienen una vida útil relativamente corta . La combinación de calor, velocidad de carga y ciclos puede afectar drásticamente la capacidad energética. Una de las razones es la fractura del ánodo de grafito. Los átomos de aluminio son mucho más grandes que los de litio. [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 lo tanto, pueden resultar inadecuados. [19]
Varios equipos de investigación están experimentando con el aluminio para producir mejores baterías. Entre los requisitos se incluyen el coste, la durabilidad, la capacidad, la velocidad de carga y la seguridad.
En 2021, los investigadores anunciaron una celda que utilizaba un ánodo estructurado en 3D en el que las capas de aluminio se acumulaban uniformemente sobre una estructura de fibra de carbono entrelazada mediante enlaces covalentes a medida que se cargaba 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 energética , que produce 1060 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). [17] El ORNL utilizó un electrolito iónico, en lugar del electrolito acuoso típico que puede producir gas hidrógeno y corroer el ánodo. El electrolito estaba hecho de cloruro de 3-etil-1-metilimidazolio con exceso de tricloruro de aluminio . [21] Sin embargo, los electrolitos iónicos son menos conductores, lo que reduce la densidad de potencia. Reducir la separación entre ánodo y cátodo puede compensar la conductividad limitada, pero provoca calentamiento. El ORNL ideó un cátodo compuesto de óxido de manganeso espinela 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 mayor área de superficie y un camino reducido entre el cátodo y el ánodo. El dispositivo produjo un gran voltaje de salida. Sin embargo, la batería tenía una baja eficiencia coulombiana . [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 conecta 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 de AlCl 4 − se intercalan entre las capas apiladas de grafeno. Durante la descarga, los iones de 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 celdas en colaboración 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 modelo de 2015. [27] La batería exhibe una eficiencia coulombiana de aproximadamente el 99,7 % y una capacidad de velocidad de a una capacidad de cátodo 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 dirigido por el instituto de investigación LEITAT . [29] [30] El objetivo del proyecto es desarrollar un prototipo de batería de iones de aluminio que pueda usarse para el almacenamiento a gran escala a partir de fuentes descentralizadas. El proyecto buscaba lograr una densidad de energía de 400 Wh/kg, un voltaje de 48 voltios y una vida útil de carga y descarga de 3000 ciclos. La impresión 3D de los paquetes de baterías permitió desarrollar grandes celdas de iones de aluminio, con voltajes que van desde los 6 a los 72 voltios. [31]
En 2016, un equipo de la Universidad de Maryland presentó una batería de aluminio y azufre que utiliza un compuesto de azufre y carbono como cátodo. La química proporciona una densidad energética teórica de 1340 Wh/kg. La celda prototipo demostró una densidad energética de 800 Wh/kg durante más de 20 ciclos. [32]
En 2022, 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 evita la formación de dendritas. [33] Una posible aplicación es en 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 basados en criptomelano como cátodo para una batería de iones de aluminio con un electrolito acuoso. [36]
En 2017, los investigadores del Instituto de Nanomateriales de Clemson 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 más de 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 utiliza 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 reivindicadas: [38] [39]
Otro enfoque para una batería de aluminio es utilizar reacciones redox para cargarla y descargarla. 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]
Para descargar la batería es necesario oxidar el aluminio, normalmente con agua a temperaturas inferiores a 100 °C. De este modo se obtiene hidróxido de aluminio e hidrógeno iónico. Este último puede producir electricidad a través de una pila de combustible . La oxidación en la pila de combustible genera calor, que puede servir para calentar el agua o el espacio. [3]
Un proceso a mayor temperatura podría dar cabida a aplicaciones industriales. Opera a más de 200 °C, haciendo reaccionar el aluminio con vapor para generar óxido de aluminio, hidrógeno y calor adicional. [3]
El aluminio iónico podría almacenarse en la fundición. Una de las opciones es cargar la batería en la fundición y descargarla allí donde se necesite energía y calor. [3] Otra opción es introducir electricidad en la red desde la fundición, sin necesidad de transporte, aunque para lograr la máxima eficiencia de ida y vuelta, el calor debería utilizarse en la fundición.
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)