Tecnología de Baterías Aluminio‑Aire: Impulsando los Vehículos Eléctricos con Aluminio de Descarte

Pensamiento Lateral para Resolver las Limitaciones de los Vehículos Eléctricos

Los vehículos eléctricos han revolucionado el mercado automotriz, con países como China y Noruega ya mostrando una fuerte penetración. Al mismo tiempo, la adopción de VE sigue rezagada en muchos países debido a algunas limitaciones clave:

• Baja autonomía para los modelos de VE más económicos.
• Velocidad de carga lenta, que combinada con la necesidad de recargas frecuentes por la baja autonomía puede dificultar los viajes de larga distancia.
• Preocupación sobre la capacidad de las redes eléctricas para manejar la incorporación de millones de nuevos VE.

Los dos primeros problemas, autonomía y velocidad de carga, son aspectos que la industria intenta resolver con nuevas químicas de baterías, así como con una red de estaciones de carga más rápida y densa. Pero sigue siendo un desafío difícil de superar. Detallamos todas las posibles vías para nuevas baterías en nuestro artículo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Los problemas de la red se agravan por la intermitencia de la generación de energía renovable. Un pico de carga de VE por la tarde, cuando la gente vuelve a casa del trabajo y del desplazamiento, no es bienvenido cuando la energía solar ya está fuera del panorama.

Pero un nuevo concepto podría resolver todos estos problemas a la vez. ¿Y si, en lugar de elegir entre motor de combustión interna (ICE) y combustible fósil líquido o VE y baterías, pudiéramos “reabastecer” los VE con un combustible totalmente reciclable?

El Potencial Energético del Aluminio

El aluminio es un elemento muy común en la Tierra. De hecho, es el metal más abundante del planeta, por delante del hierro, y constituye el 8 % de la corteza terrestre. También es un metal que requiere mucha electricidad para su producción, desde la bauxita cruda hasta la alúmina y luego el metal de aluminio. Esto ha llevado a que a veces se refiera al aluminio como “electricidad congelada”.

Bajo su apariencia ordinaria y plácida, el aluminio puede ser un metal muy reactivo en las circunstancias adecuadas y se ha utilizado en fuegos artificiales; el polvo de aluminio incluso impulsó los propulsores sólidos del transbordador espacial. De hecho, el aluminio es 2,5 veces más denso energéticamente que el diésel o la gasolina.  Aparecen las baterías Aluminio‑Aire.

Baterías Aluminio‑Aire almacenan y generan electricidad mediante la oxidación y reducción del aluminio. Hacen que el metal de aluminio reaccione con el aire y ofrecen una de las mayores densidades energéticas entre todas las tecnologías de baterías disponibles actualmente. Puede ser ocho veces más ligera y cuatro veces más pequeña que la de iones de litio.

Las baterías Aluminio‑Aire no deben confundirse con baterías de iones de aluminio, que son similares a las de iones de litio, solo que utilizan un metal diferente.

Fuente: Energy Post

Ventajas de las Baterías Aluminio‑Aire

Como el cátodo es solo oxígeno del aire ambiente, no se necesita un cátodo metálico, lo que hace que la batería sea mucho más ligera que sus competidoras.

Otra ventaja es que es esencialmente un “motor eléctrico” que consume aluminio en lugar de petróleo y no pierde voltaje al descargarse como lo hacen los sistemas de baterías.

La limitación es que esto consume aluminio y no puede recargarse simplemente conectando la batería. Por lo tanto, es más similar en sus principios a una batería AA común que a una batería de iones de litio. Así, requiere un sistema de intercambio de baterías, que lleva alrededor de 90 segundos, en lugar de un repostaje de combustible líquido o una recarga eléctrica de 10‑15 minutos.

Una alternativa también puede ser usar una combinación de baterías Aluminio‑Aire + baterías recargables, permitiendo un uso flexible de recarga directa o propulsión alimentada por aluminio según la necesidad, similar a un vehículo híbrido, pero sin ningún combustible fósil.

Ventajas de la Infraestructura

Un elemento fuerte a favor de las baterías Aluminio‑Aire es que ya existe una industria bien establecida, eficiente y a gran escala para el reciclaje de aluminio, algo que aún falta gravemente en las baterías de iones de litio.

También significa que, para obtener la materia prima, la industria de baterías Aluminio‑Aire podría obtener su material del aluminio de desecho recuperado de edificios antiguos, máquinas o aviones y generar energía simultáneamente. En general, el sistema no requiere recursos críticos/polutivos/costosos como litio, níquel, cobalto o minerales de tierras raras.

Como se mencionó anteriormente, el intercambio de baterías también implica que no hay presión sobre la red eléctrica para que la recarga se realice instantáneamente cuando los VE llegan a la estación de recarga/combustible. En su lugar, la regeneración del aluminio y la recarga de las baterías pueden realizarse con energía renovable cuando se produce en exceso.

Por último, no solo el metal de aluminio puede regenerarse con energía verde cuando sea conveniente, sino que también puede almacenarse fácilmente sin mucho costo, ya que es un metal sólido estable y no tóxico que no se oxida mucho. Así, la energía puede almacenarse mediante reservas de aluminio durante largos periodos, a un costo de almacenamiento mucho menor que con baterías, amoníaco o hidrógeno.

El transporte masivo de aluminio tampoco requiere infraestructura específica como el hidrógeno y puede realizarse con camiones o trenes ordinarios.

Costo del Aluminio: RiAlAiR

Desventajas de las Baterías Aluminio‑Aire

Una limitación de las baterías Aluminio‑Aire es la necesidad de una red densa de estaciones de intercambio de baterías. Debido al problema de la falta de estandarización de los VE y los costos de construir una red lo suficientemente densa, el intercambio de baterías ha sido a menudo una idea fallida. Esto es aún menos probable que tenga éxito para los conceptos tradicionales de baterías, ya que la industria de VE se está moviendo hacia “baterías estructurales” que están integradas en el chasis del vehículo

Algunas empresas (ver abajo) están trabajando en el intercambio de baterías para baterías Aluminio‑Aire que pueda realizarse a mano, reduciendo enormemente la complejidad tecnológica y la necesidad de una costosa estación de intercambio, con entregas automatizadas más simples, como para botellas de propano, suficientes para hacer el trabajo.  En cualquier caso, se necesitará una infraestructura para recolectar y reconstruir/recargar las baterías usadas.

En general, el concepto no es nuevo y se imaginó por primera vez en la década de 1960. En ese momento la toxicidad del electrolito bloqueó el progreso de esta tecnología. Otros problemas técnicos también pueden ser significativos, mayormente relacionados con el cátodo de aire:

“La lenta eficiencia de la reacción de reducción de oxígeno es la barrera para su aplicación. Otros problemas incluyen la reacción del CO₂ con el electrolito alcalino que produce precipitados de carbonato, la evaporación del agua al aire abierto [secado del electrolito] y la penetración del electrolito en los poros del cátodo de aire.” – Fuente: Automotive Logistics

Empresas de Baterías Aluminio‑Aire

1. Aluma Power

Aluma Power es una empresa canadiense ubicada en tierras de la Primera Nación Aamjiwnaang.

Aluma Power visualiza una eficiencia de ciclo completo del 43 % y una eficiencia del 700 % cuando el aluminio se usa primero para otras aplicaciones como la construcción del chasis de automóviles, edificios, aviones, invernaderos, barcos, etc., antes de reciclarse en combustible.

Fuente: Aluma

El enfoque único de Aluma Power se centra en un método mecánico para mitigar las limitaciones de las baterías Aluminio‑Aire, como la corrosión y el desgaste del ánodo, mediante la rotación del ánodo. Este diseño puede usar cualquier aluminio de desecho, incluidos bloques de motor fundidos o latas de refresco. Está documentado en la Patente de EE. UU. US10978758B2.

El disco de combustible puede cambiarse en pocos minutos y dura hasta 130 horas de consumo.

Fuente: Aluma

La empresa afirma que su sistema de discos permite un 70 % menos de costos de capital que los incumbentes y menores costos laborales para “almacenamiento como servicio”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique en Francia y su subsidiaria en el Reino Unido MAL están desarrollando baterías Aluminio‑Aire. La propiedad intelectual clave de la empresa es una química de electrolito propietaria que, según se afirma, reduce los problemas de corrosión del ánodo y bloqueo de poros.

El sitio web de la empresa es un poco escaso, con mayormente algunos enlaces a artículos de noticias y el anuncio de un futuro lanzamiento de producto en 2024. Esto podría ser un poco preocupante, considerando un anuncio previo para un lanzamiento en el cuarto trimestre de 2021.

La empresa parece centrarse en 3 conceptos de producto diferentes:

• Un extensor de autonomía de 300 millas para VE, algo en discusión con 2 grandes compañías automotrices.
• Una batería de VE de 1 500 millas de autonomía. MAL ha firmado un acuerdo multimillonario con Austin Electric para producir masivamente estas baterías en el Reino Unido.
• Kit de conversión de £3 500 que convierte automóviles de combustible regular en híbridos.

MAL afirma que la fabricación de su batería cuesta solo $36/kWh comparado con alrededor de $180/kWh para las baterías de iones de litio. Al incluir la amortización de la batería, el costo de conducción sería £0,08/milla, en lugar de £0,50/milla para las de iones de litio.

La tecnología también podría aplicarse a aviones, baterías de defensa y energía remota en islas.

3. RiAlAiR

La empresa se centra en producir baterías Aluminio‑Aire para la industria de barcos y pesca. La compañía ofrece un servicio de suscripción para sus baterías, reduciendo los costos iniciales y ayudando a reducir la contaminación y los altos costos de combustible.

El enfoque en usuarios profesionales de barcos como barcos de pesca y taxis acuáticos significa que el argumento económico de combustible más barato puede resonar bien, y el caso de negocio no necesita basarse en argumentos de energía verde, sino simplemente en una mayor rentabilidad.

El cambio de combustible fósil a un barco impulsado eléctricamente también abre la posibilidad de complementar el suministro de energía con paneles solares o turbinas eólicas en el propio barco, aumentando aún más la economía de combustible y la autonomía del barco.

Fuente: RiAlAiR

Por último, una cadena de tracción eléctrica es más eficiente para la propulsión de barcos, con un 92 % de la energía convertida en empuje, en lugar del 35 % de los barcos impulsados por combustible (la diferencia proviene de pérdidas térmicas y mecánicas en los motores de combustión interna).

Actualmente, millones de barcos de pesca consumen 50 mil millones de litros de combustible al año, lo que representa el 1,2 % del consumo global de combustible, con la mayoría con un tonelaje inferior a 20 toneladas y menos de 12 metros de eslora, mayormente ubicados en Asia. También hay 15 millones de barcos recreativos que podrían cambiarse a una propulsión eléctrica más ecológica.

Fuente: RiAlAiR

Mientras la propulsión eléctrica ha sido un punto muerto para la propulsión de barcos, la limitación siempre ha sido la densidad energética de las baterías. Esto es algo que los diseños modernos de Aluminio‑Aire podrían resolver, creando potencialmente un nicho pero rentable mercado para estas baterías.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy es la única empresa involucrada en la tecnología Aluminio‑Aire que pudimos encontrar y que también cotiza en bolsa. La empresa israelí está desarrollando tanto baterías de aluminio como de zinc. Está apuntando al mercado de respaldo de energía, movilidad/VE, y almacenamiento de energía. También está explorando el potencial para energía marina, con baterías contenedorizadas.

La empresa firmó recientemente un acuerdo para proporcionar 300 sistemas de respaldo de energía a la compañía de telecomunicaciones india Indus Power, así como una prueba exitosa con Cellnex, otra compañía de telecomunicaciones. También está probando su sistema con una empresa líder de centros de datos en la nube.

También mostró un prototipo de vehículo de pasajeros eléctrico Tata en enero de 2023. India está en el centro de la estrategia de exportación de la empresa, habiendo firmado un acuerdo para construir un ecosistema con Hindalco Industries Limited, uno de los mayores fabricantes de aluminio de la India.

5. Log9

Esta empresa india es el primer fabricante indígena de celdas de baterías de iones de litio, que también produce su propio sistema de gestión de baterías. La compañía produce baterías, ultracapacitores de grafeno y Celdas de Combustible de Aluminio (AFC).

Se informó en 2020 que la empresa cuenta con un equipo de 45 personas trabajando en baterías Aluminio‑Aire.

También se discutió un prototipo de vehículo de entrega de última milla capaz de recorrer 3 000 km con una sola “carga” en 2021.

Más recientemente, la empresa parece haberse centrado principalmente en baterías de iones de litio de carga rápida, por lo que no está claro si sus objetivos para Aluminio‑Aire se están cumpliendo, aunque la tecnología sigue apareciendo de forma destacada en la página principal de su sitio web.

Conclusión

Las baterías Aluminio‑Aire, o quizá celdas de combustible de aluminio sería un término más preciso, son una alternativa muy interesante al enfoque convencional de los VE y la tecnología de baterías.  Al proporcionar un combustible sólido metálico, podrían eludir la mayoría de los obstáculos a la adopción de VE, así como resolver el problema de gestionar la intermitencia de la energía renovable “almacenándola” en aluminio sólido reciclado.

Por ahora, la tecnología sigue en su infancia, sin que ninguna de las grandes corporaciones o fabricantes de baterías parezca estar trabajando en ella.  Esto se debe en parte a que el concepto se aleja radicalmente de la sabiduría convencional en la industria de los VE y requeriría un conjunto de habilidades y procesos de fabricación completamente diferentes.

También se debe a que la tecnología tiende a caer entre las políticas verdes y los subsidios, sin coincidir ni con los requisitos para la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno ni con las políticas de baterías recargables/VE. Parece ser la más bienvenida en la India, con el país ansioso por ponerse al día con China en tecnología de baterías y energía verde.