Una breve introducción a la batería de aluminio-aire
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Baterías de aluminio-aire(Baterías de Al-aire) producen electricidad a partir de la reacción del oxígeno del aire con el aluminio. Tienen una de las densidades de energía más altas de todas las baterías, pero no se usan ampliamente debido a problemas con el alto costo de los ánodos y la eliminación de subproductos cuando se usan electrolitos tradicionales. Esto ha restringido su uso a aplicaciones principalmente 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.
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 producirá 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 si se quisiera adoptar ampliamente las baterías de aluminio-aire.
Los vehículos propulsados por aluminio-han sido objeto de debate durante algunas décadas. La hibridación mitiga los costos, y en 1989 se informaron pruebas en carretera de una batería híbrida de aluminio-aire/plomo-ácido en un vehículo eléctrico. En 1990 se hizo una demostración en Ontario de una minivan híbrida-con enchufe-de aluminio.
En marzo de 2013, Phinergy publicó un vídeo de demostración de un coche eléctrico que utiliza células de aire y aluminio y que recorrió 330 km utilizando un cátodo especial e hidróxido de potasio. El 27 de mayo de 2013, el noticiero vespertino del canal 10 israelí mostró un automóvil con una batería Phinergy en la parte trasera, afirmando tener un alcance de 2.000 kilómetros (1.200 millas) antes de que fuera necesario reemplazar los ánodos de aluminio.
Electroquímica
La media-reacción de oxidación del ánodo es Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
La media-reacción de reducción catódica es O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
La reacción total es 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 +2.71 V.
Estas reacciones crean una diferencia de potencial de aproximadamente 1,2 voltios y se puede lograr en la práctica cuando 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 según la composición del electrolito, así como la estructura y los materiales del cátodo.
Otros metales se pueden utilizar de manera similar, como litio-aire, zinc-aire, manganeso-aire y sodio-aire, algunos con mayor densidad energética. Sin embargo, el aluminio resulta atractivo como el metal más estable.
| Energía específica | 1300 (práctico), 6000/8000 (teórico) W·h/kg |
|---|---|
| Densidad de energía | N/A |
| poder específico | 200 vatios/kg |
| Tensión nominal de la celda | 1.2 V |
Ánodo
El aluminio (Al) se ha utilizado ampliamente como material anódico en baterías de metal-aire debido a su alta densidad energética, reciclabilidad y abundancia. Sin embargo, los desafíos con los ánodos de Al incluyen la corrosión y la pasivación. Las impurezas del aluminio comercial provocan la formación de capas que perjudican el rendimiento. Las reacciones de corrosión producen hidrógeno y forman hidróxidos de aluminio, mientras que la formación de una película de óxido tras la exposición al aire o al agua limita aún más la funcionalidad.
Mejorar el rendimiento del ánodo de Al implica optimizar el tamaño del grano y la orientación del cristal, ya que las estructuras de grano más finas mejoran la resistencia a la corrosión y la actividad electroquímica. El estudio realizado por Fan y Lu examinó la relación entre el tamaño del grano y el rendimiento del ánodo. En este estudio, se crearon ánodos de aluminio con tamaños de grano más finos utilizando un método llamado prensado angular de canal igual (ECAP). A medida que aumentó el número de pasadas de extrusión, los granos se volvieron más pequeños y uniformes. Sin embargo, el proceso tenía limitaciones debido al calor de la deformación que provocaba cierto crecimiento del grano. Los resultados mostraron que refinar el tamaño del grano mejoró la actividad electroquímica del ánodo, redujo la corrosión y aumentó la polarización y la resistencia a la transferencia de carga-. Las pruebas confirmaron que el ánodo con granos finos funcionó mejor que uno con granos más grandes. La estructura de grano fino-también proporcionó mejores propiedades anticorrosión-y mejoró el rendimiento de la batería en una solución de NaOH de 4 mol/L. Con una densidad de corriente de 10 mA/cm2, el ánodo de grano fino-mostró un aumento del 41,5 % en la densidad de capacidad y un aumento del 55,5 % en la densidad de energía en comparación con el ánodo de grano-grueso. Además de la optimización de la microestructura, el procesamiento de los ánodos también puede afectar el rendimiento. Los ánodos fabricados mediante sinterización por láser muestran una mayor capacidad en comparación con las muestras no-sinterizadas, lo que resalta la importancia del procesamiento del ánodo en términos de su rendimiento.
Además de refinar la microestructura y desarrollar mejores métodos de procesamiento, la aleación de Al con elementos como Ga, Zn y Sn ayuda a mitigar la corrosión y la evolución de hidrógeno. El zinc, en particular, es ampliamente reconocido como un elemento de aleación beneficioso en los ánodos de baterías de Al-aire porque ayuda a reducir la tasa de autocorrosión y aumenta el voltaje nominal de la celda. Sin embargo, el estudio realizado por Park, Choi y Kim destaca un inconveniente: la adición de Zn en realidad puede disminuir el rendimiento de descarga del ánodo en soluciones alcalinas debido a los efectos de pasivación durante la polarización anódica. En concreto, el Zn favorece la formación de dos tipos de películas de oxidación. La primera, película Tipo 1, es una capa porosa compuesta de Zn(OH)2y ZnO defectuoso, que se forma cuando se disuelve Zn(OH)42-precipita del electrolito a granel. La segunda, película Tipo 2, es una capa protectora compacta de ZnO que se forma directamente a partir de la oxidación de la superficie del metal y es más estable. Esta película de tipo 2 crea una capa de pasivación que perjudica el rendimiento de descarga de la batería de Al-aire. Sin embargo, la adición de indio (In) ayuda a descomponer y desestabilizar esta capa pasiva de Zn. Los iones In crean repetidamente defectos dentro de la película Tipo 2 a través de un ciclo de descomposición y re-pasivación, debilitando efectivamente la barrera protectora y mejorando la eficiencia de descarga de la batería. Como resultado, el uso de un ánodo de aleación ternaria de Al-Zn-In, producido a partir de aluminio disponible comercialmente en lugar de aluminio costoso de alta-pureza, presenta una solución rentable-con rendimiento mejorado.
Las aleaciones de Al depositadas con cobre- también se han mostrado prometedoras como material anódico, formando capas protectoras que disminuyen la evolución de hidrógeno y mejoran el rendimiento de la descarga. Un estudio realizado por Mutlu y Yazıcı muestra que la electrodeposición de cobre ayuda a reducir la resistencia de transferencia de carga-de los ánodos de aluminio. Esto se debe a que ciertos compuestos (como Al(OH)2+, al7(OH)174+, al2(OH)24+y al13(OH)345+) se acumulan en la superficie y crean resistencia. Por el contrario, Al(OH)3se disuelve en soluciones alcalinas, formando Al(OH)4-, que tiene una velocidad de disolución más baja y mantiene un equilibrio entre Al(OH) y Al(OH)4-. El cobre ayuda a eliminar estos compuestos de la superficie, reduciendo la resistencia y mejorando el rendimiento de la descarga. Además, la resistencia del óxido de aluminio es mayor que la de la combinación cobre-aluminio, por lo que el cobre reduce la resistencia de la película y la hace más duradera. En general, los avances en la composición de las aleaciones y los métodos de fabricación son fundamentales para maximizar la eficiencia y la rentabilidad-de los ánodos de Al.
Comercialización
Yang y Knickle han estudiado el aluminio como "combustible" para vehículos. En 2002, concluyeron:
El sistema de batería de Al/aire puede generar suficiente energía y potencia para autonomías y aceleraciones similares a las de los automóviles propulsados por gasolina... el costo del aluminio como ánodo puede ser tan bajo como 1,1 dólares EE.UU./kg, siempre y cuando el producto de reacción se recicle. La eficiencia total del combustible durante el proceso de ciclo en los vehículos eléctricos (EV) Al/air puede ser del 15% (etapa actual) o del 20% (proyectada), comparable a la de los vehículos con motor de combustión interna (ICE) (13%). La densidad de energía de la batería de diseño es 1300 Wh/kg (actual) o 2000 Wh/kg (proyectada). El costo del sistema de baterías elegido para evaluar es de US$ 30/kW (actual) o US$ 29/kW (proyectado). Se realizó un análisis del ciclo de vida de los vehículos eléctricos de aire/al aire y se comparó con los vehículos eléctricos de plomo/ácido e hidruro metálico de níquel (NiMH). Sólo se puede proyectar que los vehículos eléctricos Al/air tendrán una autonomía comparable a la de los ICE. Según este análisis, los vehículos eléctricos Al/air son los candidatos más prometedores en comparación con los ICE en términos de autonomía de viaje, precio de compra, coste de combustible y coste del ciclo de vida.
Aún quedan problemas técnicos por resolver para que las baterías de Al-aire sean adecuadas para vehículos eléctricos. Los ánodos hechos de aluminio puro son corroídos por el electrolito, por lo que el aluminio generalmente se alea con estaño u otros elementos. La alúmina hidratada que se crea mediante la reacción de la celda forma una sustancia similar a un gel-en el ánodo y reduce la producción de electricidad. Esta es una cuestión que se está abordando en el trabajo de desarrollo de células de Al-air. 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 red de níquel-, un catalizador (por ejemplo, cobalto) y una película porosa de politetrafluoroetileno hidrófobo que evita las fugas de electrolitos. El oxígeno del aire pasa a través del politetrafluoroetileno y luego reacciona con el agua para crear iones de hidróxido. Estos cátodos funcionan bien, pero pueden resultar caros.
Las baterías Al-air tradicionales tenían una vida útil limitada, porque el aluminio reaccionaba con el electrolito y producía hidrógeno cuando la batería no estaba en uso; Este ya no es el caso de los diseños modernos. El problema se puede evitar almacenando el electrolito en un tanque fuera de la batería y transfiriéndolo a la batería cuando sea necesario 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 costo de los materiales que se deben agregar a la batería para evitar caídas de energía. 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 normalmente se utiliza en el aire de aluminio como catalizador en el cátodo es la plata, que cuesta alrededor de 922 dólares el kilogramo (precios de 2024).
Las baterías de aluminio-aire pueden convertirse en una solución eficaz para aplicaciones marinas debido a su alta densidad de energía, bajo costo y abundancia de aluminio, sin emisiones en el punto de uso en embarcaciones y barcos. AlumaPower, marina phinergy, Materiales de registro 9, RiAlAiR y varias otras empresas comerciales están trabajando en aplicaciones comerciales y militares en el entorno marino.
Se están llevando a cabo investigaciones y desarrollo sobre electrolitos alternativos, más seguros y de mayor rendimiento, como disolventes orgánicos y líquidos iónicos. Otros, como AlumaPower, se están centrando en métodos mecánicos para mitigar muchos de los problemas históricos con las baterías de Al-aire. La patente de AlumaPower (US US10978758B2) ilustra un método que gira 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 refresco y bloques de motor refundidos.
