Principio de funcionamiento de las baterías de aluminio-aire
Una celda de aire-de aluminio consta de un ánodo de aluminio, un cátodo de aire y un electrolito acuoso, normalmente hidróxido de potasio o hidróxido de sodio. En el ánodo, el aluminio se disuelve y libera tres electrones por átomo; en el cátodo, se reduce el oxígeno del aire ambiente. La reacción general de 4Al + 3O2 + 6H2O a 4Al(OH)3 da un voltaje de circuito abierto-cerca de 2,7 V en teoría, mientras que las celdas prácticas funcionan entre 1,2 y 1,6 V debido a las pérdidas de polarización. Debido a que el material activo del cátodo, el oxígeno, se toma libremente del aire en lugar de almacenarse dentro de la celda, la batería puede alcanzar una energía específica teórica cercana a 8,1 kWh/kg basándose únicamente en el ánodo de aluminio, alrededor de 2980 Ah por kilogramo de aluminio a 2,7 V, varias veces la cifra de las químicas de iones de litio-.
Por qué el aluminio es importante para el almacenamiento de energía
El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre y se produce a escala industrial en todo el mundo, lo que mantiene bajos los costos de los ánodos y estables las cadenas de suministro. El producto de la descarga es hidróxido de aluminio, un compuesto inofensivo que puede devolverse a la fundición y convertirse nuevamente en metal mediante el proceso Hall-Heroult, por lo que el circuito del material está cerrado y es reciclable. En comparación con los paquetes de iones de litio-, los sistemas de aire-de aluminio utilizan un electrolito no-inflamable a base de agua-, que elimina el riesgo de fuga térmica y simplifica la gestión térmica. Estas características hacen que la química sea atractiva para aplicaciones donde el largo alcance, el bajo costo y la seguridad son más importantes que la potencia máxima.
Materiales y componentes celulares.
El ánodo suele ser aluminio de alta-pureza del 99,5 % o superior, suministrado en forma de placa o lámina pesada, a menudo aleado con pequeñas cantidades de galio, indio, estaño o magnesio para suprimir la pasivación y la evolución parásita de hidrógeno en un electrolito alcalino. El cátodo de aire es una capa de carbono porosa cargada con un catalizador como dióxido de manganeso, respaldada por un colector de corriente metálico, y el papel de aluminio comúnmente sirve como sustrato conductor o como ánodo en bruto. Los sistemas de electrolitos varían desde KOH concentrado para operaciones de alta-velocidad hasta soluciones salinas para celdas de larga-vida útil y baja-velocidad. El diseño del electrodo de difusión de gas y la gestión de la precipitación de carbonatos son las dos tareas de ingeniería más críticas en el desarrollo de celdas.
Datos de demostración y rendimiento informados
Las células de laboratorio han informado energías específicas en el rango de 400 a 800 Wh/kg a nivel de celda, y las demostraciones del sistema se han centrado en diseños mecánicamente recargables. En una demostración en carretera de 2013, ampliamente difundida, se afirmó que un pequeño automóvil urbano equipado con unos 50 kg de placas de ánodo de aluminio viajaba aproximadamente 1.600 km, a los que se añadía agua periódicamente para mantener el electrolito. El consumo de aluminio está fundamentalmente vinculado a la capacidad: debido a que cada kilogramo de aluminio lleva una carga teórica de aproximadamente 2.980 Ah, una celda que se descarga a un promedio de 1,4 V produce aproximadamente 4,2 kWh de energía eléctrica por kilogramo de ánodo consumido, antes de agregar el electrolito y los gastos generales del sistema. Esto se compara con alrededor de 0,25 a 0,30 kWh/kg típicos de las celdas de iones de litio-a nivel de paquete, aunque la comparación debe incluir el peso del sistema de aire-de aluminio completo.
Desafíos clave para las aplicaciones de vehículos eléctricos-
Entre las células de laboratorio y los vehículos eléctricos comerciales se interponen cuatro obstáculos. En primer lugar, la densidad de potencia está limitada por la cinética de reducción de oxígeno en el cátodo de aire, por lo que las baterías de aluminio-aire se adaptan mejor a una descarga constante que a una aceleración rápida. En segundo lugar, el aluminio se corroe en electrolitos alcalinos, liberando hidrógeno y desperdiciando material, lo que exige optimización de la aleación y aditivos para electrolitos. En tercer lugar, la batería no es recargable eléctricamente en el sentido convencional; Repostar combustible implica sustituir el cartucho de ánodo y reciclar el hidróxido, lo que requiere una nueva infraestructura de servicio. Cuarto, el cátodo de aire se degrada con el tiempo mediante la formación de carbonatos y la desactivación del catalizador, lo que acorta la vida útil. Por estas razones, la investigación actual se centra en configuraciones híbridas en las que un pequeño buffer de iones de litio- maneja la potencia máxima mientras que la unidad de aire de aluminio-suministra energía de crucero, y aplicaciones específicas como energía de respaldo y transporte pesado de largo-alcance.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cómo funciona una batería de aluminio-aire?
A:Oxida un ánodo de aluminio con oxígeno extraído del aire ambiente en un electrolito acuoso, liberando electrones a través de un circuito externo y produciendo hidróxido de aluminio como producto de descarga.
P: ¿Cuál es la densidad de energía teórica del aluminio-aire?
A:Basándose únicamente en el ánodo de aluminio, alcanza unos 8,1 kWh/kg, aproximadamente 2980 Ah/kg a 2,7 V, varias veces más que los iones de litio-; Las células prácticas alcanzan valores más bajos pero aún competitivos.
P: ¿Cuánto aluminio consume la celda?
A:Cada kilogramo de aluminio transporta alrededor de 2.980 Ah de carga, por lo que con un voltaje de descarga promedio de 1,4 V la celda lo convierte en aproximadamente 4,2 kWh de electricidad antes de los gastos generales del sistema.
P: ¿Se pueden recargar eléctricamente las baterías de aluminio-aire?
A:No en el sentido convencional; el ánodo se consume y debe reemplazarse mecánicamente, mientras que el subproducto-hidróxido de aluminio se recicla de nuevo a metal mediante el proceso Hall-Heroult.
P: ¿Por qué todavía no son comunes en los vehículos eléctricos?
A:La densidad de potencia limitada, la corrosión del ánodo en el electrolito alcalino, la degradación del cátodo por el aire-y la falta de infraestructura de reabastecimiento de combustible los restringen actualmente a programas de investigación, diseños híbridos y aplicaciones estacionarias.
P: ¿Qué papel juega el papel de aluminio en estas baterías?
A:Se utilizan láminas finas y láminas de aluminio de alta-pureza para los ánodos y los colectores de corriente, razón por la cual los productores de láminas y láminas siguen de cerca el desarrollo de esta tecnología.