Los materiales de aluminio muestran un rendimiento prometedor para las baterías de estado sólido

Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia, dirigido por Matthew McDowell, profesor asociado de la Escuela George W. Woodruff de Ingeniería Mecánica y de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, está utilizando papel de aluminio para crear baterías con mayor densidad energética y mayor estabilidad. El nuevo sistema de baterías del equipo, detallado en Nature Communications, podría permitir a los vehículos eléctricos funcionar más tiempo con una sola carga y sería más barato de fabricar, todo ello con un impacto positivo en el medio ambiente.

"Siempre estamos buscando baterías con mayor densidad energética, que permitirían a los vehículos eléctricos recorrer distancias más largas con una sola carga", explica McDowell. "Es interesante que podamos utilizar el aluminio como material para las baterías, porque es rentable, muy reciclable y fácil de trabajar".

La idea de fabricar baterías con aluminio no es nueva. Los investigadores estudiaron su potencial en los años 70, pero no funcionó bien.

Cuando se utiliza en una batería convencional de iones de litio, el aluminio se fractura y falla al cabo de unos pocos ciclos de carga y descarga, debido a la expansión y contracción 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 y abandonaron la idea.

Ventajas frente al litio

Ahora, las baterías de estado sólido han entrado en escena. Mientras que las baterías de iones de litio contienen un líquido inflamable que puede provocar incendios, las baterías de estado sólido contienen un material sólido que no es inflamable y, por tanto, probablemente más seguro. Las baterías de estado sólido también permiten integrar nuevos materiales activos de alto rendimiento, como demuestra esta investigación.

El proyecto comenzó como una colaboración entre el equipo de Georgia Tech y Novelis, uno de los principales fabricantes de aluminio y el mayor reciclador de aluminio del mundo, como parte del Centro de Innovación de Novelis en Georgia Tech. El equipo de investigación sabía que el aluminio tendría ventajas energéticas, económicas y de fabricación si se utilizaba como material en el ánodo de la batería -la parte de la batería con carga negativa que almacena el litio para crear energía-, pero las láminas de aluminio puro fallaban rápidamente cuando se probaban en baterías.

El equipo decidió adoptar un enfoque diferente. En lugar de utilizar aluminio puro en las láminas, añadieron pequeñas cantidades de otros materiales al aluminio para crear láminas con "microestructuras" particulares, o disposiciones de distintos materiales. Probaron más de 100 materiales distintos para saber cómo se comportarían en las baterías.

"Necesitábamos incorporar un material que resolviera los problemas fundamentales del aluminio como ánodo de batería", explica Yuhgene Liu, estudiante de doctorado del laboratorio de McDowell y primer 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, en comparación con las baterías de iones de litio convencionales".

Alta densidad energética

El equipo observó que el ánodo de aluminio podía almacenar más litio que los materiales de ánodo convencionales y, por tanto, más energía. Al final, habían creado baterías de alta densidad energética que potencialmente podrían superar a las de iones de litio.

"Una de las ventajas de nuestro ánodo de aluminio que nos entusiasma es que permite mejorar el rendimiento, pero también puede ser muy rentable", afirma McDowell. "Además, al utilizar una lámina directamente como componente de la batería, eliminamos muchos de los pasos de fabricación que normalmente serían necesarios para producir un material de batería".

Varias empresas están desarrollando aviones eléctricos de corto alcance, pero el factor limitante son las baterías. Las baterías actuales no tienen energía suficiente para volar distancias superiores a 240 km. Se necesitan nuevas químicas de baterías, y las baterías de ánodo de aluminio del equipo de McDowell podrían abrir la puerta a tecnologías de baterías más potentes.

"El éxito inicial de estos ánodos de papel de aluminio abre una nueva vía para descubrir otros posibles materiales para baterías", afirma Liu. "Es de esperar que esto abra vías para reimaginar una arquitectura de celdas de batería más optimizada energéticamente y rentable".

El equipo trabaja actualmente para aumentar el tamaño de las baterías y entender cómo influye el tamaño en el comportamiento del aluminio. El grupo también está explorando activamente otros materiales y microestructuras con el objetivo de crear láminas muy baratas para sistemas de baterías.

"Ésta es la historia de un material conocido desde hace mucho tiempo, pero que se abandonó en gran medida al principio del desarrollo de las baterías", explica McDowell. "Pero con los nuevos conocimientos, combinados con una nueva tecnología -la batería de estado sólido-, hemos descubierto cómo podemos rejuvenecer la idea y conseguir un rendimiento realmente prometedor".