Una buena batería necesita dos cosas: alta densidad de energía para alimentar los dispositivos y estabilidad, para que pueda recargarse miles de veces de manera segura y confiable. Durante las últimas tres décadas, las baterías de iones de litio han reinado supremamente, demostrando su rendimiento en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y vehículos eléctricos.

Pero los investigadores de baterías han comenzado a acercarse a los límites de los iones de litio. A medida que los vehículos de largo alcance y los aviones eléctricos de próxima generación comienzan a llegar al mercado, la búsqueda de sistemas de baterías más seguros, económicos y potentes que puedan superar a los iones de litio está aumentando.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, dirigido por Matthew McDowell, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, está utilizando papel de aluminio para crear baterías con mayor densidad de energía y mayor estabilidad. El nuevo sistema de batería del equipo, detallado en Nature Communications, podría permitir que los vehículos eléctricos funcionen más tiempo con una sola carga y sería más barato de fabricar, todo mientras tiene un impacto positivo en el medio ambiente.

« Siempre estamos buscando baterías con mayor densidad de energía, lo que permitiría a los vehículos eléctricos conducir distancias más largas con una carga », dijo McDowell. « Es interesante que podamos usar aluminio como material de batería, porque es rentable, altamente reciclable y fácil de trabajar ».

La idea de fabricar baterías con aluminio no es nueva. Los investigadores investigaron su potencial en la década de 1970, pero no funcionó bien.

Cuando se utiliza en una batería de iones de litio convencional, el aluminio se fractura y falla en unos pocos ciclos de carga y descarga, debido a la expansión y contracción a medida que el litio entra y sale del material. Los desarrolladores llegaron a la conclusión de que el aluminio no era un material viable para las baterías y la idea se abandonó en gran medida.

Ahora, las baterías de estado sólido han entrado en escena. Mientras que las baterías de iones de litio contienen un líquido inflamable que puede provocar incendios, las baterías de estado sólido contienen un material sólido que no es inflamable y, por lo tanto, probablemente más seguro. Las baterías de estado sólido también permiten la integración de nuevos materiales activos de alto rendimiento, como se muestra en esta investigación.

El proyecto comenzó como una colaboración entre el equipo de Georgia Tech y Novelis, un fabricante líder de aluminio y el reciclador de aluminio más grande del mundo, como parte del Novelis Innovation Hub en Georgia Tech. El equipo de investigación sabía que el aluminio tendría beneficios energéticos, de costo y de fabricación cuando se usara como material en el ánodo de la batería, el lado cargado negativamente de la batería que almacena litio para crear energía, pero las láminas de aluminio puro fallaban rápidamente cuando se probaban en baterías.

El equipo decidió adoptar un enfoque diferente. En lugar de usar aluminio puro en las láminas, agregaron pequeñas cantidades de otros materiales al aluminio para crear láminas con « microestructuras » particulares o arreglos de diferentes materiales. Probaron más de 100 materiales diferentes para comprender cómo se comportarían en las baterías.

« Necesitábamos incorporar un material que abordara los problemas fundamentales del aluminio como ánodo de batería », dijo Yuhgene Liu, Ph.D. estudiante en el laboratorio de McDowell y primer autor del artículo. « Nuestro nuevo ánodo de papel de aluminio demostró un rendimiento y una estabilidad notablemente mejorados cuando se implementó en baterías de estado sólido, a diferencia de las baterías de iones de litio convencionales ».

El equipo observó que el ánodo de aluminio podía almacenar más litio que los materiales de ánodo convencionales y, por lo tanto, más energía. Al final, crearon baterías de alta densidad de energía que podrían superar potencialmente a las baterías de iones de litio.

« Uno de los beneficios de nuestro ánodo de aluminio que nos entusiasma es que permite mejoras en el rendimiento, pero también puede ser muy rentable », dijo McDowell. « Además de eso, cuando usamos una lámina directamente como componente de la batería, en realidad eliminamos muchos de los pasos de fabricación que normalmente se requerirían para producir un material de batería ».

Varias compañías están desarrollando aviones eléctricos de corto alcance, pero el factor limitante son las baterías. Las baterías de hoy en día no contienen suficiente energía para impulsar a los aviones a volar distancias superiores a 150 millas o más. Se necesitan nuevas químicas de batería, y las baterías de ánodo de aluminio del equipo de McDowell podrían abrir la puerta a tecnologías de batería más potentes.

« El éxito inicial de estos ánodos de papel de aluminio presenta una nueva dirección para descubrir otros posibles materiales para baterías », dijo Liu. « Es de esperar que esto abra caminos para reinventar una arquitectura de celdas de batería más optimizada en términos de energía y rentable ».

Actualmente, el equipo está trabajando para aumentar el tamaño de las baterías para comprender cómo el tamaño influye en el comportamiento del aluminio. El grupo también está explorando activamente otros materiales y microestructuras con el objetivo de crear láminas muy económicas para sistemas de baterías.

« Esta es una historia sobre un material que se conocía desde hace mucho tiempo, pero que se abandonó en gran medida al principio del desarrollo de la batería », dijo McDowell. « Pero con nuevos conocimientos, combinados con una nueva tecnología, la batería de estado sólido, hemos descubierto cómo podemos rejuvenecer la idea y lograr un rendimiento realmente prometedor ».