¿Incluirá el futuro una batería de aluminio?

Detenme si has oído esto antes.

Aluminio, Aluminio

Así que un investigador de baterías sube al escenario durante la noche del micrófono abierto y dice: «Voy a revolucionar el mundo del almacenamiento de energía utilizando la nanotecnología». Como una suposición alocada, tal vez la mitad de tales afirmaciones ni siquiera producirán una demostración de prueba de concepto, y cuatro más morirán en el ascenso cuesta arriba hacia la comercialización práctica. Uno de cada 10 podría ir a la corriente principal después de sobrevivir a un molino de ingenieros, expertos en marketing y contables de ataque entrenados.

Esta vez, se trata de otra tecnología de baterías que hace el juego, y el equipo de investigación afirma que están avanzando hacia una batería basada en aluminio con una densidad de energía que podría eventualmente competir con las tecnologías actuales de iones de litio. A pesar de un escepticismo razonable, hagamos una pausa y considerémoslo. El aluminio (o aluminio, si usted vive en cualquier lugar menos en los Estados Unidos, Canadá o Filipinas y tiene el lujo de las vocales adicionales) es uno de los elementos más comunes en la corteza terrestre. Sus minerales se pueden extraer en casi cualquier lugar, y desde 1886 ha existido un práctico proceso de fundición. También es ligero en masa y razonablemente dúctil.

Sección transversal de la bauxita, un mineral de aluminio sedimentario común. (cortesía de Wikimedia)

Dado que las celdas de polímero de litio más populares en uso en la actualidad dependen tanto del litio como del cobalto para bailar, una transición a materiales más baratos y menos tóxicos sería un cambio en el almacenamiento de energía, particularmente en aplicaciones a escala de red que requieren baterías en el rango de MWh. Los diseñadores de vehículos eléctricos también salivarían con la posibilidad de reducir el peso, si llegara a suceder.

Batería básica

Recordemos que el almacenamiento de energía química requiere dos electrodos diferentes y un electrolito químico que, a través de alguna combinación de reacciones, lleva iones de un electrodo al otro. El desequilibrio de carga resultante está entonces disponible para conducir una corriente eléctrica. El método confiable de la feria de ciencias es apuñalar un limón con algo de cobre y algo de zinc. Una sección de alambre de cobre y cualquier clavo galvanizado probará el punto.

El Limón Descargado. Específicamente, una batería de jugo de limón entregando el jugo.

Para aumentar la densidad de energía, aumente la superficie de los electrodos, o aumente la reactividad del electrolito, o ambos. Por ejemplo, si abres la pila AA (LR6) media, descubrirás que hay un pie o más de material de electrodo (y tal vez fuego residual), enrollado muy apretado para mantenerlo todo compacto. Resulta que una célula `C$0027 (LR14) o `D$0027 (LR20) se construye de la misma manera pero con quizás tres o cuatro veces más material embobinado, por lo que sobreviven más tiempo en aplicaciones exigentes.

En cuanto al efecto de la química, considere la corta vida útil de una unidad de «trabajo pesado», frente a la vida útil mejorada de las pilas alcalinas, frente a la vida útil prolongada de las pilas de tipo litio vendidas para uso fotográfico. El mismo tamaño de célula, construcción física similar, pero una masa diferente entre cada tipo y un rendimiento muy diferente.

Aliméntame, Seymour

Vale, ¿y qué hay del aluminio? Investigaciones anteriores en baterías de aluminio se basaban en un electrodo de aluminio y un cátodo de grafito, que era funcional pero con una baja densidad de energía. La dirección de esta nueva investigación, según los autores que trabajan en cooperación desde Suecia y Eslovenia, es una batería que utiliza un ánodo de aluminio y una molécula de carbono orgánico a nanoescala, la antraquinona, como cátodo.

Las antraquinonas son creadas naturalmente por algunas plantas como pesticidas, y por lo menos una fórmula química se fabrica comercialmente para ese mismo propósito. Una cualidad atractiva de las antraquinonas es el bajo riesgo de toxicidad para los humanos, aunque algunos aparentemente son laxantes bastante buenos. Si le gusta el ruibarbo, por ejemplo, trate de no comerse las raíces.

La desventaja, hasta ahora, es que este nuevo método utiliza un electrolito a base de cloro para actuar como portador de carga. Aunque eso es probablemente menos duro que muchas de las químicas de litio actuales, los investigadores también esperan encontrar un reemplazo más suave para eso. Sospechamos que puede resultar difícil, ya que un electrolito necesita ser altamente reactivo con los materiales del electrodo.

Tecnología novedosa, pero un mercado no probado

Parte de lo que caracteriza esta línea de investigación es que las tecnologías basadas en aluminio son muy nuevas y aún no se han comercializado. A diferencia de la investigación continua en química del litio, no existen líneas de fabricación de baterías de aluminio que puedan ser mejoradas gradualmente. Una tecnología de baterías totalmente nueva requerirá un nuevo conjunto de inversiones, y los obstáculos incluyen un historial probado de fiabilidad a largo plazo en una amplia gama de condiciones ambientales, especialmente en los ciclos de carga y descarga.

La última no es trivial. Uno de los problemas para las tecnologías de células de litio existentes es que los portadores de carga tienden a entrar y salir de los electrodos durante los ciclos de carga o descarga, rompiendo ventanas y derribando muebles en el proceso. Además, los electrodos cambian físicamente de volumen dependiendo del número de portadores de carga que tengan. Eventualmente, los electrodos pierden su capacidad para sostener esos portadores, y la capacidad disminuye.

Dicho de otra manera, es la razón más probable por la que mi teléfono anterior funcionó durante más de 8 horas con una carga completa cuando era nuevo, pero sólo funcionó durante tres horas después de un par de años de duro uso: los portadores de carga siguen presentes en la célula, pero no tienen ningún lugar útil donde estar. Resultados de comportamiento erráticos, incluyendo mi conversión personal en uno de esos jugadores de Pokemon Go que siempre mantiene un banco de baterías de mascotas atado con una correa USB.

En cualquier caso, esperamos oír más sobre esta tecnología en el futuro, pero por ahora, vive en la papelera «plausible, pero no probada». Ha habido muchas otras buenas ideas en este campo que, lamentablemente, no llegaron a buen puerto.

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