El papel de aluminio de toda la vida también sirve para mejorar la capacidad de las baterías sólidas

Las baterías de iones de litio con electrolito líquido están llegando al límite de sus capacidades, por lo que fabricantes de automóviles y empresas aeronáuticas son las más interesadas en avanzar los más rápido posible en el desarrollo de las baterías sólidas. Con solo unas semanas de diferencia, dos equipos de investigadores han demostrado avances interesantes en el uso del aluminio para el diseño de baterías. 
A principios de julio, un equipo de australiano y chino anunciaba la primera etapa del desarrollo de la batería de radicales de aluminio acuoso, no tóxica, más segura y eficiente del mundo. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia ha publicado en Nature Communications un nuevo trabajo relacionado con el aluminio dirigido por Matthew McDowell, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
En este caso, están utilizando papel de aluminio para crear baterías más estables y con mayor densidad energética. Esta nueva batería permitiría a los vehículos eléctricos aumentar su autonomía, haría viable la aviación eléctrica y permitiría una reducción de costes de fabricación manteniendo la sostenibilidad ambiental. “Es interesante que podamos usar aluminio como material de batería, porque es rentable, altamente reciclable y fácil de trabajar”, indica McDowell.
La idea de introducir el aluminio en las baterías no es nueva. Su potencial ya fue objeto de investigación en la década de 1970, pero los resultados no fueron satisfactorios. Cuando se utiliza en una batería de iones de litio convencional, el aluminio se fractura provocando un fallo a los pocos ciclos de carga y descarga. Su causante es la expansión y la contracción continua a medida que el litio entra y sale del material. Los desarrolladores llegaron a la conclusión de que el aluminio no era un material viable para las baterías y la idea se abandonó en gran medida.
Pero, en aquella época no existían las baterías de estado sólido. Mientras que las baterías de iones de litio contienen un líquido inflamable que puede provocar incendios, las de estado sólido poseen un material sólido no inflamable y, por lo tanto, más seguro. Gracias a esta característica, también permiten la integración de nuevos materiales activos de alto rendimiento, como muestra esta investigación.
“Esta es una historia sobre un material que se conocía desde hace mucho tiempo, pero que se abandonó en gran medida al principio del desarrollo de la batería”, cuenta McDowell. “Con los nuevos conocimientos, combinados con una nueva tecnología, la batería de estado sólido, hemos descubierto cómo podemos rejuvenecer la idea y lograr un rendimiento realmente prometedor”.
El proyecto comenzó como una colaboración entre el equipo de Georgia Tech y Novelis, el fabricante y reciclador de aluminio más grande del mundo. El equipo de investigación era conocedor de que el aluminio tiene beneficios energéticos, de coste y de fabricación cuando se usa como material en el ánodo de la batería, el electrodo negativo que almacena litio para crear energía. También conocía su problemática, ya que las láminas de aluminio puro siempre han fallado rápidamente cuando se han probado en baterías.
El equipo decidió adoptar un planteamiento diferente. En lugar de usar aluminio puro en láminas, le agregaron pequeñas cantidades de otros materiales para crear láminas de papel de aluminio con “microestructuras” particulares o arreglos de diferentes materiales. Probaron más de 100 diferentes para comprender cómo se comportaban las baterías.
“Necesitábamos incorporar un material que abordara los problemas fundamentales del aluminio como ánodo de batería”, explica Yuhgene Liu, estudiante en el laboratorio de McDowell y autor del artículo. “Nuestro nuevo ánodo de papel de aluminio demostró un rendimiento y una estabilidad notablemente mejorados cuando se implementó en baterías de estado sólido, a diferencia de las baterías de iones de litio convencionales”.
El equipo observó que el ánodo de aluminio podía almacenar más litio que los materiales de ánodo convencionales y, por lo tanto, más energía. Con ellos fueron capaces de crear baterías con una alta densidad de energía que, potencialmente, superan a las baterías de iones de litio.
“Uno de los beneficios de nuestro ánodo de aluminio es que, además de mejorar el rendimiento, también puede ser muy rentable”, asegura McDowell. “Además de eso, cuando usamos una lámina directamente como componente de la batería, en realidad eliminamos muchos de los pasos de fabricación que normalmente se requerirían para producir un material de batería”.
Actualmente, el equipo trabaja para lograr aumentar el tamaño de las baterías para comprender cómo influye en el comportamiento del aluminio. También está explorando activamente otros materiales y microestructuras con el objetivo de crear láminas muy económicas para sistemas de baterías. “El éxito inicial de estos ánodos de papel de aluminio presenta una nueva dirección para descubrir otros posibles materiales para baterías”, explica Liu. “Es de esperar que abra caminos a arquitecturas de celdas de batería más optimizada en términos de energía y rentabilidad”.
Además de su aplicación en vehículos eléctricos terrestres, otros sectores están muy pendientes de la evolución de este tipo de baterías. Hoy en día, las de litio con electrolito líquido no contienen suficiente energía para impulsar aviones eléctricos más allá de los 250 km. Las baterías sólidas de ánodo de aluminio del equipo de McDowell podrían abrir la puerta a tecnologías más potentes.
Redactor y probador especializado en vehículos eléctricos y movilidad sostenible. Escribe en Híbridos y Eléctricos desde 2017. Es ingeniero de Caminos por la Universidad Politécnica de Madrid y Técnico especialista en vehículos híbridos y eléctricos por la SEAS. Ha trabajado en medios como Movilidad Eléctrica y Km77.
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