Las baterías de iones de aluminio son una clase de batería recargable en la que los iones de aluminio proporcionan energía al fluir desde el electrodo positivo de la batería, el ánodo , al electrodo negativo, el cátodo . Al recargarse, los iones de aluminio regresan al electrodo negativo y pueden intercambiar tres electrones por ion. Esto significa que la inserción de un Al 3+ es equivalente a tres iones Li + en cátodos de intercalación convencionales . Por lo tanto, dado que los radios iónicos de Al 3+ (0.54 Å ) y Li + (0.76 Å) son similares, modelos de electrones y Al 3+ significativamente más altosLos cátodos pueden aceptar iones sin mucha pulverización. [1] [2] El portador de carga trivalente, Al 3+, es tanto la ventaja como la desventaja de esta batería. [3] 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 materiales huésped con un catión trivalente es demasiado fuerte para un comportamiento electroquímico bien definido.
Las baterías recargables a base de aluminio ofrecen posibilidades de bajo costo y baja inflamabilidad, junto con propiedades redox de tres electrones que conducen a una alta capacidad. [4] Se espera que la inercia del aluminio y la facilidad de manejo en un entorno ambiental ofrezcan importantes mejoras de seguridad para este tipo de batería. Además, el aluminio posee una mayor capacidad volumétrica que Li, K, Mg, Na, Ca y Zn debido a su alta densidad (2,7 g / cm 3 a 25 ° C) y capacidad para intercambiar tres electrones. Esto nuevamente significa que la energía almacenada en baterías de aluminio por volumen es mayor que la de otras baterías de metal. Por lo tanto, se espera que las baterías de aluminio sean de menor tamaño. Las baterías de iones de aluminio también tienen un mayor número de ciclos de carga y descarga. Por lo tanto, las baterías de iones de aluminio tienen el potencial de reemplazar las baterías de iones de litio . [2]
Diseño
Como todas las demás baterías, la estructura básica de las baterías de iones de aluminio incluye dos electrodos conectados por un electrolito , un material conductor iónico (pero no eléctrico) que actúa como medio para el flujo de los portadores de carga. 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 - . [5]
La cantidad de energía o potencia que puede liberar una batería 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 al:
Electroquímica
Media reacción del ánodo:
Media reacción del cátodo:
La combinación de las dos medias reacciones produce la siguiente reacción:
Comparación de iones de litio
Las baterías de iones de aluminio son conceptualmente similares a las baterías de iones de litio , pero poseen un ánodo de aluminio en lugar de un ánodo de litio. Si bien el voltaje teórico para 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 para las baterías de iones de aluminio es de 1060 Wh / kg en comparación con el límite de 406 Wh / kg de iones de litio. . [7]
Las baterías de iones de litio actuales tienen alta densidad de potencia (descarga rápida) y alta densidad de energía (retienen mucha carga). También pueden desarrollar dendritas, similares a astillas, que pueden provocar un cortocircuito en una batería y provocar un incendio. El aluminio también transfiere energía de manera más eficiente. Dentro de una batería, los átomos del elemento (litio o aluminio) ceden algunos de sus electrones, que fluyen a través de cables externos para alimentar un dispositivo. Debido a su estructura atómica, los iones de litio solo pueden proporcionar un electrón a la vez; el aluminio puede dar tres a la vez. [8] El aluminio también es más abundante que el litio, lo que reduce los costos de material. [9]
Desafíos
Las baterías de iones de aluminio tienen una vida útil relativamente corta . La combinación de calor, velocidad de carga y ciclos puede disminuir drásticamente la capacidad de energía. Una de las principales razones de esta corta vida útil es la fractura del ánodo de grafito tradicional, siendo los iones Al mucho más grandes que los iones Li utilizados en los sistemas de baterías convencionales. [10] Cuando las baterías de iones metálicos están completamente descargadas, ya no se pueden recargar. Los electrolitos iónicos, aunque mejoran la seguridad y la estabilidad a largo plazo de los dispositivos al minimizar la corrosión, son costosos de fabricar y comprar y, por lo tanto, pueden no ser adecuados para la producción en masa de dispositivos de iones de Al. [11] Además, los avances actuales se encuentran solo en entornos de laboratorio limitados, donde es necesario trabajar mucho más para ampliar la producción para su uso en entornos comerciales. [12]
Investigar
Varios equipos de investigación están experimentando con aluminio y otros compuestos químicos para producir la batería más eficiente, duradera y segura.
Ánodo
Universidad de Cornell
En 2021, los investigadores anunciaron una celda que usaba un ánodo estructurado en 3D en el que las capas de aluminio se acumulan de manera uniforme en las fibras de carbono entrelazadas. estructura mediante enlace covalente a medida que se carga la batería. El ánodo mucho más grueso presenta una cinética mucho más rápida. El prototipo funcionó durante 10k ciclos sin signos de falla. [13]
Electrólito
Laboratorio Nacional Oak Ridge
Alrededor de 2010, [7] Oak Ridge National Laboratory (ORNL) desarrolló y patentó un dispositivo de alta densidad de energía , que producía 1.060 vatios-hora por kilogramo (Wh / kg). [9] ORNL utilizó un electrolito iónico, en lugar del típico electrolito acuoso que puede producir gas hidrógeno durante la operación y corroer el ánodo de aluminio. El electrolito estaba hecho de cloruro de 3-etil-1-metilimidazolio con un exceso de tricloruro de aluminio . [14] Sin embargo, los electrolitos iónicos son menos conductores, lo que reduce la densidad de potencia . La reducción de la separación ánodo / cátodo puede contrarrestar la conductividad limitada, pero provoca calentamiento. ORNL ideó un cátodo compuesto de óxido de manganeso de espinela que reduce aún más la corrosión. [7]
Cátodo
Universidad Stanford
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). [4] Su celda proporciona aproximadamente 2 voltios, 4 voltios si se conecta en una serie de dos celdas. [4] [15] El prototipo duró más de 7.500 ciclos de carga y descarga sin pérdida de capacidad. [16] [17]
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. Mientras se descargan, los iones AlCl 4 - se desintercalan rápidamente a través del grafito. La celda mostró una alta durabilidad, resistiendo más de 10,000 ciclos sin una disminución de la capacidad. La celda era estable, no tóxica, flexible y no inflamable. [18]
En 2016, el laboratorio probó estas celdas colaborando con el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial (ITRI) de Taiwán para alimentar una motocicleta con un electrolito caro. En 2017, se probó un electrolito a base de urea que representaba aproximadamente el 1% del costo del modelo de 2015. [19] La batería exhibe C99.7% de eficiencia Coulombic y una capacidad de velocidad de a una capacidad de cátodo de (1,4 C). [20]
Proyecto ALION
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 . [21] [22] El objetivo del proyecto es desarrollar un prototipo de batería de iones de aluminio que pueda utilizarse para el almacenamiento a gran escala a partir de fuentes descentralizadas. El proyecto buscaba alcanzar una densidad energética de 400 Wh / kg, un voltaje de 48 voltios y una vida de carga-descarga de 3000 ciclos.
En mayo de 2019, el proyecto finalizó y publicó sus resultados finales. El proyecto demostró que la alta potencia y el rendimiento cíclico de Al-ion lo convertían en una alternativa atractiva. Las aplicaciones propuestas incluían baterías de plomo-ácido en sistemas de alimentación ininterrumpida , telecomunicaciones y almacenamiento de energía de la red . La impresión 3D de los paquetes de baterías permitió el desarrollo de grandes celdas de iones de Al, con voltajes que van desde 6 a 72 voltios. [23]
Universidad de Cornell
En 2011, en la Universidad de Cornell , un equipo de investigación utilizó el mismo electrolito que ORNL, pero utilizó nanocables de óxido de vanadio para el cátodo. [24] El óxido de vanadio muestra una estructura de cristal abierta, lo que permite una mayor superficie para una estructura de aluminio y reduce el camino entre el cátodo y el ánodo, maximizando los niveles de producción de energía. El dispositivo produjo una gran tensión de salida durante el funcionamiento. Sin embargo, la batería tenía una baja eficiencia culómbica . [14]
Universidad de Maryland
En 2016, un equipo de la Universidad de Maryland informó sobre una batería recargable de aluminio / azufre que utiliza un compuesto de azufre / carbono como material del cátodo. La química es capaz de proporcionar una densidad de energía teórica de 1340 Wh / kg. El equipo fabricó un prototipo de celda que demostró una densidad de energía de 800 Wh / kg durante más de 20 ciclos. [25]
Antraquinona
En 2019, los investigadores propusieron usar antraquinona para el cátodo en una batería de iones de aluminio. [26]
Universidad de Tecnología de Queensland
En 2019, investigadores de la Universidad Tecnológica de Queensland desarrollaron electrodos basados en criptomelano como cátodo para baterías de iones de aluminio con un electrolito acuoso. [27]
Universidad de Clemson
En 2017, los investigadores del Clemson Nanomaterials Institute utilizaron un electrodo de grafeno para intercalar el tetracloroaluminato ( AlCl-
4). [5] El equipo construyó baterías con ánodos de aluminio, cátodos de grafeno prístinos o modificados de pocas capas y un líquido iónico con sal de AlCl3 como electrolito. [5] Afirmaron que la batería puede funcionar durante más de 10.000 ciclos con una densidad de energía de 200 Wh / kg. [12]
Departamento de Ciencia de Polímeros de la Universidad de Zhejiang
En diciembre de 2017, un equipo, dirigido por el profesor Gao Chao, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Polímeros de la Universidad de Zhejiang, anunció el diseño de 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 muy orientada. El recocido a alta temperatura [ desambiguación necesaria ] bajo presión produjo una estructura de grafeno de alta calidad y alta canalización. Propiedades reclamadas: [28] [29]
- Retuvo el 91,7 por ciento de la capacidad original después de 250.000 ciclos.
- Tiempo de carga de 1,1 segundos.
- Rango de temperatura: -40 a 120 C.
- Capacidad actual: 111 mAh / g, 400 A / g
- Flexible y no inflamable.
- Densidad energética baja.
Ver también
- Batería de aluminio-aire
- Comparación de tipos de baterías
- Lista de tipos de baterías
- Densidad de energia
Referencias
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enlaces externos
- Stanford presenta la batería de iones de aluminio en YouTube
- Materiales catódicos para baterías de aluminio recargables: estado actual y progreso
- Batería de iones de aluminio Fuel Cell Thai GEN3 en YouTube