Extendiendo la vida útil de las baterías de bajo costo, compactas y ligeras

Si bien las baterías de iones de litio recargables típicas solo pierden alrededor del 5 por ciento de su carga después de un mes de almacenamiento, son muy costosas, voluminosas o pesadas para muchas aplicaciones. Las baterías primarias (no recargables) de aluminio y aire son mucho menos costosas, más compactas y livianas, pero pueden perder el 80 por ciento de su carga al mes.

El diseño del MIT supera el problema de la corrosión en las baterías de aluminio-aire al introducir una barrera de aceite entre el electrodo de aluminio y el electrolito (el fluido entre los dos electrodos de la batería que se comen el aluminio cuando la batería está en espera). El aceite se bombea rápidamente y se reemplaza con electrolito tan pronto como se usa la batería. Como resultado, la pérdida de energía se reduce a solo un 0,02 por ciento al mes, más de mil veces mejor.

Los hallazgos se informaron en la revista Science por el ex estudiante graduado del MIT Brandon J. Hopkins '18, el profesor de energía WM Keck Yang Shao-Horn y el profesor de ingeniería mecánica Douglas P. Hart.

Si bien se han utilizado otros métodos para prolongar la vida útil de las baterías de metal-aire (que pueden usar otros metales como el sodio, litio, magnesio, zinc o hierro), estos métodos pueden sacrificar el rendimiento, dice Hopkins. La mayoría de los otros enfoques implican reemplazar el electrolito con una formulación química diferente, menos corrosiva, pero estas alternativas reducen drásticamente la energía de la batería.

Otros métodos implican bombear el electrolito líquido durante el almacenamiento y volver a ponerlo antes de usarlo. Estos métodos aún permiten una corrosión significativa y pueden obstruir los sistemas de tuberías en el paquete de baterías. Debido a que el aluminio es hidrofílico (que atrae el agua) incluso después de drenar el electrolito del paquete, el electrolito restante se adherirá a las superficies del electrodo de aluminio. "Las baterías tienen estructuras complejas, por lo que hay muchos rincones para que el electrolito quede atrapado", lo que resulta en una corrosión continua, explica Hopkins.

Una clave para el nuevo sistema es una membrana delgada colocada entre los electrodos de la batería. Cuando la batería está en uso, ambos lados de la membrana se llenan con un electrolito líquido, pero cuando la batería se pone en espera, el aceite se bombea hacia el lado más cercano al electrodo de aluminio, el cual protege la superficie de aluminio del electrolito en la batería al otro lado de la membrana.

El nuevo sistema de batería también aprovecha una propiedad del aluminio llamada "oleofobia submarina", es decir, cuando el aluminio se sumerge en agua, repele el aceite de su superficie. Como resultado, cuando la batería se reactiva y el electrolito se bombea nuevamente, el electrolito desplaza fácilmente el aceite de la superficie de aluminio, lo que restaura las capacidades de energía de la batería. Irónicamente, el método MIT de supresión de la corrosión explota la misma propiedad del aluminio que promueve la corrosión en los sistemas convencionales.

El resultado es un prototipo de aluminio-aire con una vida útil mucho más larga que la de las baterías de aluminio-aire convencionales. Los investigadores demostraron que cuando la batería se usaba repetidamente y luego se ponía en espera durante uno o dos días, el diseño del MIT duraba 24 días, mientras que el diseño convencional solo duraba tres. Los investigadores informan que incluso cuando se incluye aceite y un sistema de bombeo en paquetes de baterías de aluminio de aire primario escalados, son cinco veces más ligeros y dos veces más compactos que los paquetes de baterías de ion de litio recargables para vehículos eléctricos.

Hart explica que el aluminio, además de ser muy económico, es uno de los "materiales químicos de almacenamiento de mayor densidad de energía que conocemos", es decir, es capaz de almacenar y entregar más energía por libra que casi cualquier otra cosa, solo con bromos , que son caros y peligrosos, siendo comparables. Él dice que muchos expertos piensan que las baterías de aluminio y aire pueden ser el único reemplazo viable para las baterías de iones de litio y para la gasolina en los automóviles.

Las baterías de aluminio y aire se han utilizado como extensores de rango para vehículos eléctricos para complementar las baterías recargables incorporadas, para agregar muchas millas adicionales de conducción cuando se agota la batería incorporada. Algunas veces también se usan como fuentes de energía en lugares remotos o para algunos vehículos submarinos. Pero mientras que tales baterías pueden almacenarse durante largos períodos de tiempo siempre que no se usen, tan pronto como se encienden por primera vez, comienzan a degradarse rápidamente.

Estas aplicaciones podrían beneficiarse enormemente de este nuevo sistema, explica Hart, porque con las versiones existentes, "realmente no se puede apagar. Se puede vaciar y retrasar el proceso, pero realmente no se puede apagar". Sin embargo, si se utilizara el nuevo sistema, por ejemplo, como extensor de rango en un automóvil, "podría usarlo y luego estacionarlo en el camino de entrada y estacionarlo durante un mes, y luego regresar y esperar que aún tenga un batería ... realmente creo que esto es un cambio de juego en términos del uso de estas baterías ".

Con la mayor vida útil que podría ofrecer este nuevo sistema, el uso de baterías de aluminio-aire podría "extenderse más allá de las aplicaciones de nicho actuales", dice Hopkins. El equipo ya ha solicitado patentes sobre el proceso.

La investigación fue apoyada por MIT Lincoln Laboratory.

Redactada por: World Energy Trade.

Fuente: Instituto de Tecnología de Massachusetts