Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Las baterías de metal-aire son fuentes de energía ligeras y compactas con una alta densidad energética, pero han tenido una importante limitación: Se corroen.
Un nuevo diseño del Instituto Tecnológico de Massachusetts utiliza aceite para reducir la corrosión y prolongar la vida útil de las baterías de metal-aire de un solo uso.
La clave: Aceite.
Para evitar el deterioro del metal, los investigadores del MIT colocaron una barrera de aceite entre el electrodo de aluminio y el electrolito, el fluido que se encuentra entre los dos electrodos de la batería y que corroe el aluminio cuando la batería está en reposo.
El aceite se bombea rápidamente y se sustituye por electrolito en cuanto se utiliza la batería.
Como resultado, la pérdida de energía se reduce a sólo un 0.02 por ciento al mes – una mejora de más de mil veces, según el equipo del MIT.
Los hallazgos fueron reportados la semana pasada en la revista Science por el ex estudiante graduado del MIT Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck Yang Shao-Horn, y el profesor de ingeniería mecánica Douglas P. Hart.
¿Cómo funciona exactamente una batería de metal-aire?
Una batería de metal-aire utiliza algún tipo de metal (como el aluminio) para el ánodo, el aire como cátodo, junto con un electrolito líquido.
En el caso del aluminio, el oxígeno del aire se combina con el metal para crear hidróxido de aluminio, que activa el proceso de electrólisis y crea una corriente.
Debido a que el aluminio atrae el agua, el electrolito restante a menudo se adhiere a las superficies de los electrodos de aluminio, incluso después de que el electrolito se haya drenado de la célula.
«Las baterías tienen estructuras complejas, por lo que hay muchos rincones en los que el electrolito puede quedar atrapado», dijo Hopkins .
Los muchos rincones dan lugar a muchas oportunidades de corrosión.
Hopkins y su equipo, sin embargo, colocaron una fina barrera de membrana entre los electrodos de la batería; ambos lados de la membrana se llenan con un electrolito líquido cuando la batería está en uso.
Cuando la batería se pone en reposo, se bombea aceite en el lado más cercano al electrodo de aluminio, lo que protege la superficie del aluminio del electrolito en el otro lado de la membrana.
El aluminio, cuando se sumerge en agua, repele el aceite de la superficie. Cuando la batería se reactiva y el electrolito se bombea de nuevo a la celda, el electrolito desplaza fácilmente el aceite de la superficie de aluminio, lo que restablece la potencia de la batería.
El resultado es un prototipo de aluminio-aire con una vida útil mucho más larga que la de las baterías convencionales de aluminio-aire. Cuando la batería se utilizó repetidamente y luego se puso en espera durante uno o dos días, el diseño del MIT duró 24 días, mientras que el diseño convencional sólo duró tres.
Incluso cuando se incluye aceite y un sistema de bombeo en los paquetes de baterías primarias de aluminio-aire a escala, siguen siendo cinco veces más ligeras y dos veces más compactas que los paquetes de baterías recargables de iones de litio para vehículos eléctricos, informaron los investigadores.
Actualmente, las baterías de aluminio-aire se utilizan como fuentes de energía de reserva. El profesor Hart habló con Tech Briefs sobre las razones por las que cree que el nuevo diseño se abrirá paso algún día más allá de las aplicaciones de nicho y llegará a los vehículos eléctricos.
Tech Briefs: ¿Por qué son valiosas las baterías de metal-aire?
Douglas Hart, Profesor de Ingeniería Mecánica: Se trata de baterías de muy alta densidad energética. Se consideran baterías primarias, es decir, no son recargables. En este caso el aluminio se consume.
Y el aluminio es extremadamente abundante, a diferencia de muchos otros metales que se hacen para fabricar baterías. El aluminio es uno de los materiales más abundantes de la Tierra y está distribuido por todo el mundo, por lo que no es algo que posea un solo país.
Tech Briefs: ¿Dónde se utilizan actualmente las baterías de metal-aire?
Uno de los problemas de los generadores de reserva es que tardan en entrar en funcionamiento y que utilizan gasóleo, que puede estropearse. Por eso, muchos hospitales tienen baterías de aluminio-aire como sistemas de reserva; cuando se corta el suministro eléctrico, pueden volver a funcionar muy rápidamente, al menos el tiempo suficiente para que entre en funcionamiento un sistema de energía secundario.
Phinergy , una empresa de Israel, está fabricando baterías de aluminio-aire para ampliar la autonomía de los coches. Hay un plan para que se incluyan, por lo que si te quedas sin energía eléctrica de una batería en un vehículo eléctrico, la batería de aluminio-aire debería entrar en acción y llevarte a través de las millas adicionales para llegar a una estación de carga. Básicamente, son un sistema de baterías que puede ser reemplazado, simplemente porque tienen mucha más energía que una batería de iones de litio.
Tech Briefs: ¿Cuáles son las limitaciones de las baterías de metal-aire?
El Prof. Hart: Una vez que las enciendes, no puedes apagarlas. La única manera de detener la reacción es drenar el electrolito del sistema. Y cuando se hace eso, cada vez hay un poco de electrolito que se queda en la superficie metálica de la batería y la corroe. Después de un tiempo, puedes volver a poner el electrolito y no volverá a arrancar; la batería se corroe y en la superficie este subproducto la obstruye. Algunas personas han descubierto que se puede enjuagar con agua, pero el agua se contamina con electrolitos.
Tech Briefs: ¿Por qué es tan importante mitigar el efecto de la corrosión?
Prof. Hart: Te gustaría poder utilizar estas baterías en algo como un automóvil; quieres aparcarlo en la entrada de tu casa, dejarlo allí durante una semana, volver y esperar que vuelva a arrancar. Estas baterías se van consumiendo poco a poco, por lo que se pierde mucha energía. La densidad de energía se vuelve inútil entonces porque se está consumiendo a sí misma.
La gente ha buscado todo tipo de formas para mitigar este proceso de corrosión. Han buscado mejores productos químicos para la superficie del aluminio y las aleaciones. Hemos descubierto un enfoque muy simple: En lugar de lavarlo con agua, simplemente desplazamos el electrolito con aceite.
Tech Briefs: ¿Cuál fue la reacción a esta idea?
El Prof. Hart: La primera reacción que tuvo todo el mundo fue: «¿Me estás tomando el pelo? El petróleo lo va a tapar todo y lo va a destruir». Resulta que en presencia del electrolito, el aluminio prefiere trabajar con el electrolito que con el aceite. En realidad, el aceite no ensucia las cosas. Simplemente desplaza el electrolito, apaga la reacción (porque no es conductor) y, en cuanto se vuelve a poner el electrolito, vuelve a arrancar. Pero aún mejor, podemos lavarlo con el mismo aceite una y otra vez y nunca contaminar el sistema.
Tech Briefs: ¿Es una característica de diseño fácil de incorporar?
Prof. Hart: La membrana es realmente algo muy fácil de colocar. De hecho, se puede construir en el propio cátodo antes de ser instalado. Es una modificación muy simple a la tecnología de la batería existente. Se trata de una fina membrana para proteger el cátodo, ya que éste es un material de alto contacto superficial. La membrana proporciona una longevidad a largo plazo al material del cátodo. También permite el uso de aceites que no son tan estables como otros aceites.
Tech Briefs: ¿En qué tipo de aplicaciones ven que se utiliza este nuevo diseño?
Prof. Hart: Los extensores de autonomía para los coches es sin duda una buena. Una de las razones por las que la gente tiene miedo de comprar coches eléctricos es porque tienen miedo de quedarse sin energía. Y , esto se utilizaría sobre todo como un sistema de respaldo para superar ese miedo a no tener suficiente para llegar al siguiente sistema de carga.
Tech Briefs: ¿Seguirán utilizándose como fuentes de energía de reserva?
Prof. Hart: Ahora mismo, mucha gente tiene pequeños generadores en sus casas, pero éstos producen monóxido de carbono, por lo que su uso es muy peligroso. Las baterías de aluminio-aire son un dispositivo mucho más seguro para tener en el sótano que un generador de reserva. Si se va la luz, puedes encenderlo. Si vuelve la luz, puedes apagarla. Y una batería de aluminio-aire es, sin duda, estupenda para su uso en hospitales y sistemas de energía de reserva para servidores de datos.
Tech Briefs: ¿Son las baterías de metal-aire una opción viable ahora en comparación con, por ejemplo, la batería de iones de litio?
El profesor Hart: Ahora mismo, si se quisiera hacer nuestro sistema de transporte y convertirlo todo en vehículos eléctricos, la gente ha señalado las baterías de iones de litio; ciertamente, Tesla está utilizando baterías de iones de litio. Pero las baterías de iones de litio requieren litio, que es propiedad de un subconjunto de países del mundo. Eso hace que sea una situación políticamente difícil.
Lo peor es que simplemente no hay suficiente cobalto para hacer suficientes baterías para todos los coches del mundo. Tienen que encontrar una alternativa al cobalto. Algunos expertos dicen que podrán sustituir el cobalto por níquel. Tenemos que encontrar un sistema alternativo de baterías para hacer viables cosas como los sistemas de almacenamiento, porque simplemente no tenemos suficiente cobalto y níquel.
El aluminio es una gran fuente de energía para cualquier tipo de sistema de transporte. Podría ver su uso en aviones y otros lugares donde se podrían utilizar baterías estándar. De nuevo, no se pueden recargar. Son más un combustible que un dispositivo de almacenamiento de energía puro.
Tech Briefs: ¿Qué le espera a su equipo en relación con esta investigación?
Prof. Hart: Espero que uno de los fabricantes de baterías comerciales se haga con ella. Creo que tiene un gran potencial y me encantaría que se pusiera en práctica. Hemos demostrado todo lo que necesitamos en términos de investigación en el laboratorio, y creo que ahora hay que implementarlo en un sistema real y probarlo para su aplicación comercial.
Tech Briefs: ¿Qué han demostrado los resultados? ¿Qué tal funciona la batería?
Prof. Hart: Fenomenalmente. Brandon ha podido demostrar que se puede encender y apagar durante toda la vida útil de la batería, y casi no hay degradación alguna, a diferencia de los sistemas anteriores. Esencialmente, este trabajo le ha dado la capacidad de apagarse como una batería normal, por lo que no se queda ahí y se corroe mientras se sienta en su camino de entrada, si se quiere.
Eso significa que, para algo como un hospital, cuando se corta la energía, se puede realmente encender esta cosa, y si no se utiliza toda la energía que está en la batería, se puede apagar la batería y utilizarla de nuevo la próxima vez. Normalmente, puedes tener un corte de energía que ocurre durante unos minutos, y luego la energía vuelve. Has gastado esta batería tan cara porque, mientras está ahí, se corroe. Ahora, puedes encenderla y apagarla a voluntad.