octubre 5, 2022

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Económica, de gran capacidad y rápida: la nueva tecnología de baterías de aluminio lo promete todo

Oric Lawson | imágenes falsas

Hay una ironía clásica con la nueva tecnología, en la que los adoptantes se ven obligados a limitarse a dos de las tres cosas que todos quieren: rápido, barato y bueno. Cuando la tecnología son las baterías, la confiabilidad es aún más difícil. El precio barato y rápido (envío) sigue siendo importante, pero «bueno» puede ser significa cosas diferentes, como peso ligero, bajo volumen o larga vida, según sus necesidades. Sin embargo, están involucrados los mismos tipos de swaps. Si quieres una carga realmente rápida, probablemente tendrás que renunciar a algo de capacidad.

Estas ventajas y desventajas mantienen la investigación sobre la química de las baterías alternativas a pesar de la formidable presencia del plomo-litio en términos de tecnología y capacidades de fabricación; todavía hay esperanza de que Alguna otra química Puede proporcionar una reducción significativa en el precio o un impulso significativo en algunas medidas de rendimiento.

Hoy, se publica un artículo de investigación que parece ofrecer un precio bajo combinado con un impulso significativo en muchas de estas métricas. Las baterías de aluminio y azufre como materia prima ofrecen un precio bajo, un tamaño competitivo y una mayor capacidad por peso que las de iones de litio, con la gran ventaja de cargar completamente las celdas en menos de un minuto. El único problema obvio que tienes ahora mismo es que la temperatura tiene que ser de 90°C (aproximadamente el punto de ebullición del agua) para que funcione.

¿Puede el aluminio?

La gente ha estado considerando las baterías a base de aluminio durante un tiempo y se han sentido atraídos por su alta capacidad teórica. Si bien cada átomo de aluminio es ligeramente más pesado que el litio, los átomos de aluminio y sus iones son físicamente más pequeños, con la carga positiva más alta del núcleo separando ligeramente a los electrones. Además, el aluminio cederá fácilmente hasta tres electrones por átomo, lo que significa que puedes transferir mucha carga a cada ion involucrado.

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El gran problema era que el aluminio se absorbía químicamente. Muchos compuestos de aluminio son altamente insolubles en agua, sus óxidos son muy estables, etc. Es fácil que algo que debería ser una simple reacción secundaria paralice una batería después de algunos ciclos de carga/descarga. Entonces, mientras el trabajo continuaba, las altas capacidades teóricas a menudo parecían algo inalcanzable en la práctica.

La clave del nuevo trabajo fue darnos cuenta de que ya habíamos resuelto uno de los grandes problemas con la fabricación de un electrodo de metal de aluminio: lo habíamos hecho en un campo completamente diferente. Los electrodos de metal puro brindan mejoras significativas en simplicidad y tamaño, ya que no hay una química real involucrada y no se requieren materiales adicionales para llenar los iones metálicos con ellos. Pero el metal tiende a depositarse de manera desigual en los electrodos de la batería, lo que eventualmente produce espinas llamadas dendritas que crecen hasta dañar otros componentes de la batería o acortar la celda por completo. Por lo tanto, descubrir cómo depositar minerales de manera uniforme ha sido un gran obstáculo.

La comprensión clave aquí es que ya sabemos cómo depositar aluminio de manera uniforme. Hacemos esto todo el tiempo cuando queremos electrochapar aluminio sobre algún otro metal.

Esto se hace a menudo con sal de cloruro de aluminio fundido. Dentro de la sal fundida, los iones de aluminio y cloro tienden a formar largas cadenas de átomos alternos. Cuando el aluminio se deposita sobre una superficie, tiende a salirse del centro de estas cadenas, y el volumen físico del resto de la cadena hace que sea más fácil hacerlo sobre una superficie plana.

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Dentro de la sal fundida, los iones de aluminio también pueden moverse rápidamente de un electrodo a otro. El gran problema es que el cloruro de aluminio solo se derrite a 192 °C, pero mezclar un poco de cloruro de sodio y cloruro de potasio hace que la temperatura baje a 90 °C, por debajo del punto de ebullición del agua y compatible con una gama más amplia de aditivos.

Sándwich de sal

Al hacerlo, los investigadores obtuvieron dos tercios de una batería. Uno de los electrodos era metal de litio y el electrolito era cloruro de aluminio líquido. Esto deja un segundo electrodo para ser reconocido. Aquí, ha habido muchos ejemplos de aluminio almacenado como un compuesto químico con elementos más bajos que el oxígeno en la tabla periódica, como el azufre o el selenio. Con fines de imagen, el equipo trabajó con selenio para crear una celda de batería experimental y confirmar que se comporta de acuerdo con las expectativas.

Fotografiar el aluminio mostró que después de algunos ciclos de carga y descarga, la superficie estaba algo llena, pero no salían extensiones grandes o puntiagudas que pudieran dañar la batería. Las reacciones en el electrodo de selenio parecen comenzar en la sal fundida antes de terminar en la superficie del electrodo. En general, la celda mostró un rendimiento estable durante docenas de ciclos y el tipo de aluminio de alta capacidad por peso que debería proporcionar. Entonces, el equipo pasó a construir y probar las celdas que realmente les interesaban: azufre de aluminio.

A velocidades de descarga lentas, las celdas de azufre de aluminio tienen una capacidad de carga por peso de más de tres veces la de las baterías de iones de litio. Este número disminuyó a medida que aumentó la tasa de carga/descarga, pero el rendimiento siguió siendo excelente. Si la celda se descargó durante más de dos horas y se cargó en solo seis minutos, todavía tenía una capacidad de carga por peso que era un 25 % más alta que las baterías de iones de litio y retenía alrededor del 80 % de esa capacidad después de 500 ciclos. más allá de lo que verías con la mayoría de la química del litio.

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Si redujo los tiempos de carga a poco más de un minuto, la capacidad por peso era aproximadamente igual a la de una batería de iones de litio y más del 80 por ciento de esa capacidad aún estaba disponible después de 200 ciclos. La celda de la batería podía soportar una carga completa en menos de 20 segundos, aunque la capacidad por peso era un poco más de la mitad de lo que obtendría con una batería de iones de litio.