Más seguro, más barato y más potente? La promesa de las baterías de aluminio

Las baterías de alta capacidad que se cargan más rápido y duran más son clave para impulsar el futuro de la electrónica portátil, los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía a largo plazo.

Durante las últimas décadas, las baterías de iones de litio han liderado este sector. Como tipo de batería recargable, las baterías de iones de litio se cargan y descargan mediante el movimiento de estos iones entre los electrodos positivos y negativos, es decir, ánodos y cátodos.

El metal litio utilizado en estas baterías es blando, plateado y altamente reactivo. Tiene la densidad más baja de todos los metales y se encuentra en compuestos como mineral, siendo Chile su mayor productor. Chile también posee las mayores reservas de litio, seguidas por Australia y China; esta última también es líder en baterías de iones de litio.

En realidad, estas baterías requieren enormes cantidades de agua y energía para producirse. Además, son muy difíciles de reciclar.

Así, aunque las baterías de iones de litio han demostrado su rendimiento en dispositivos electrónicos portátiles como smartphones, portátiles y otros dispositivos de mano, así como en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento para respaldo de energía solar, el mercado ahora busca materiales que superen al litio y alimenten la próxima generación de dispositivos, vehículos de largo alcance, aviones eléctricos y almacenamiento a nivel de red.

Esto ha llevado a los investigadores al aluminio, que muestra un rendimiento prometedor para baterías más seguras, más baratas y más potentes.

Potencial del aluminio en el avance de baterías 

Los esfuerzos para desarrollar baterías recargables de aluminio se llevan a cabo desde hace muchas décadas, pero han ganado un impulso significativo en la última década aproximadamente. La mayor atención e investigación han ayudado a las baterías de iones de aluminio a alcanzar tasas excepcionales de carga y descarga. 

Todos los desarrollos en torno a las baterías de iones de aluminio son significativos debido a los beneficios superiores que este metal electropositivo aporta. 

Las propiedades únicas del aluminio incluyen ser ligero, resistente a la corrosión y tener alta conductividad térmica. 

Esta versatilidad ha hecho que este metal sea altamente beneficioso en una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias, particularmente el transporte. El metal se utiliza extensamente en la fabricación de automóviles, aviones y trenes porque es ligero y fuerte, lo que ayuda a mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones. 

Otra aplicación importante del aluminio es en la industria de la construcción, ya que es fácil de trabajar y tiene la capacidad de resistir condiciones ambientales adversas. El aluminio también se usa intensamente en el embalaje, la aeroespacial, la química, la militar y la industria eléctrica.

Tener una baja densidad y ser un buen conductor de electricidad hace que el aluminio sea ideal para la fabricación de conductores eléctricos, dispositivos como computadoras, smartphones y televisores, y su uso en líneas de transmisión aéreas.

Más importante aún, el aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Al ser un metal de bajo costo, su uso en baterías recargables puede reducir sustancialmente el costo de las baterías, especialmente para sistemas de respaldo a gran escala y económicos para el almacenamiento de energía renovable. 

Las baterías de iones de litio siguen siendo demasiado caras para estas aplicaciones. Además de su costo, estas baterías también contienen un electrolito inflamable que genera una preocupación de seguridad. El metal más abundante en la Tierra y el segundo más abundante comercialmente (después del hierro) constituye una alternativa adecuada aquí.

Además de ser barato, el aluminio también tiene una alta capacidad volumétrica, que es cuatro veces mayor que la del litio y siete veces mayor que la del sodio. Esto muestra el potencial del aluminio para mejorar la densidad energética de las baterías por unidad de volumen.

Además, el aluminio es no inflamable, lo que respalda aún más su adopción como electrodo. El uso de este metal también elimina la complejidad de una capa de interfase que se ve comúnmente en los sistemas de iones de litio. 

Eso no quiere decir que el aluminio esté exento de deficiencias. La pasivación, corrosión y evolución de hidrógeno de los sistemas de baterías de iones de aluminio han limitado su aplicación. Otro desafío para las baterías de iones de aluminio es la selección de materiales de ánodo debido a la alta densidad de carga de los iones Al3+, lo que resulta en una cinética de difusión lenta, limitando a su vez la capacidad de carga de la batería. 

A pesar de estos desafíos, las baterías de iones de aluminio son una candidata prometedora para el almacenamiento de energía a gran escala debido a su alta capacidad específica, bajo costo, ligereza, buena seguridad y la abundancia natural del aluminio.

Explorando la batería de iones de aluminio para uso real

La exploración del aluminio en baterías lleva tiempo debido a la necesidad de nuevas químicas de baterías que satisfagan la demanda de alta energía de, por ejemplo, aviones que vuelen largas distancias y el almacenamiento de energía a escala de servicios públicos. Las baterías convencionales simplemente no almacenan suficiente energía para alimentar estos sistemas.

Hace aproximadamente una década, investigadores de la Universidad de Stanford revelaron por primera vez que una batería de iones de aluminio puede ser estable y ciclar durante mucho tiempo. Esta batería de iones de aluminio podía cargarse completamente en un minuto y atravesar hasta 7500 ciclos de carga/descarga con poca degradación de capacidad.

Un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Queensland, Australia, a finales del año pasado, mientras tanto abordó el obstáculo técnico con un componente AIB¹ llamado la interfase de electrolito sólido.

Una batería de iones de aluminio, al igual que las baterías de iones de litio, tiene un ánodo, un cátodo y un electrolito, que transporta iones de aluminio que fluyen entre los electrodos cargados positivamente y los electrodos cargados negativamente. 

Durante la descarga, los iones se mueven del ánodo al cátodo para generar energía, y al cargar la batería, el proceso se invierte para almacenar energía. En el caso de las baterías de iones de aluminio, enfrentan inestabilidades al ciclar entre carga y descarga debido a la formación de dendritas que causan cortocircuitos, lo que lleva al fallo de la batería.

La respuesta a esto, según la investigación, fue que las baterías de iones de aluminio necesitan un pre-ciclado, al igual que las baterías de iones de litio, para maximizar su vida útil. Comprender estas necesidades únicas de pre-ciclado puede conducir a mejores diseños que permitan que una batería dure más y funcione de manera más fiable, acercándolas así a aplicaciones reales.

En otra investigación de hace un par de años, investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia utilizaron lámina de aluminio para crear baterías que podrían permitir a los vehículos eléctricos cubrir mayores distancias con una sola carga.

En este estudio, los investigadores añadieron pequeñas cantidades de más de 100 materiales diferentes al aluminio para crear láminas con “microestructuras” específicas. El ánodo de aluminio pudo almacenar más litio que los materiales de ánodo tradicionales, lo que significa más energía, conduciendo a la creación de baterías de alta densidad energética.

Estas investigaciones sobre baterías de aluminio tienen un inmenso potencial para abrir la puerta a tecnologías de baterías más potentes que impulsen el futuro.

Nuevo diseño para extender la vida de las baterías de aluminio

Dado los numerosos beneficios de las baterías de iones de aluminio, recientemente, un nuevo estudio publicado² en ACS Central Science se dedicó a diseñar una batería de iones de aluminio rentable y respetuosa con el medio ambiente que pueda ayudar a respaldar la transición hacia energía sostenible y limpia.

Con el impulso global hacia la sostenibilidad, el estudio señaló la necesidad de explorar recursos abundantes y renovables para los avances en tecnologías de baterías de almacenamiento de energía que fomenten el desarrollo sostenible.

Así, los investigadores recurrieron a baterías recargables de iones de aluminio (AIBs) con electrolitos de líquidos iónicos basados en cloroaluminato a temperatura ambiente no inflamables. Su amplia adaptabilidad a la temperatura, larga vida de ciclo y seguridad excepcional hacen que las AIBs sean altamente adecuadas para sistemas capaces de almacenar energía a gran escala. 

Pero, por supuesto, los electrolitos tradicionales de líquidos iónicos en las AIBs presentan vulnerabilidades notables. Con su nuevo marco, los investigadores buscan superar el problema de corrosión del electrolito más común usado en baterías de iones de aluminio. 

El electrolito — cloruro de aluminio líquido — no solo corroe el ánodo de aluminio, sino que agrava esta condición debido a su alta sensibilidad a la humedad. Esto contribuye a una pobre estabilidad, resultando en una disminución del rendimiento eléctrico con el tiempo. 

Para eliminar esta limitación, los investigadores introdujeron una sal inerte de fluoruro de aluminio al electrolito que contenía un ion Al, convirtiéndolo en un electrolito de estado sólido. La estructura porosa 3D de la sal de fluoruro de aluminio permite que los iones de aluminio salten fácilmente a través del electrolito y aumenten la conductividad. 

Los investigadores también usaron carbonato de fluoroetileno como aditivo de interfaz. Un recubrimiento sólido delgado de este compuesto en los electrodos ayudó a prevenir la formación de cristales de aluminio y, a su vez, protegió la salud de la batería de la degradación.

Con estos dos componentes, el equipo pudo mejorar la resistencia a la humedad de su batería junto con su estabilidad térmica y física. Esto permitió que la batería de iones de aluminio de estado sólido soportara temperaturas de hasta 392 grados Fahrenheit (o 200 grados Celsius). También resistió firmemente los golpes repetidos de un objeto afilado.

En cuanto a la vida de esta batería, el estudio la encontró excepcionalmente larga. La batería de iones de aluminio de estado sólido duró hasta 10,000 ciclos de carga y descarga mientras experimentaba una pérdida de menos del uno por ciento de su capacidad original. 

Además, la mayor parte del fluoruro de aluminio utilizado puede recuperarse con un simple lavado. El AlF3 puede luego reciclarse en otra batería con solo una ligera disminución del rendimiento, reduciendo aún más los costos de producción de la batería.

“Este nuevo diseño de batería de iones de aluminio muestra el potencial de un sistema de almacenamiento de energía duradero, rentable y de alta seguridad. La capacidad de recuperar y reciclar materiales clave hace que la tecnología sea más sostenible.”

– Wei Wang, Laboratorio Estatal Clave de Metalurgia Avanzada, Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, China

La nueva batería aumenta la practicidad de las baterías de iones de aluminio al reducir su costo de fabricación y extender su vida, pero aún se necesitan mejoras adicionales en densidad energética, estabilidad del electrolito y ciclo de vida para la comercialización de esta batería.

Haga clic aquí para conocer un estudio que desmintió los mitos sobre el envejecimiento de las baterías.

Principales actores en el mercado de baterías

La aparición de prometedoras tecnologías de baterías de próxima generación ofrece mejoras significativas en densidad energética, seguridad, costo y vida útil respecto a las baterías de iones de litio actuales. Se anticipa que transformarán los requerimientos energéticos, impulsados por innovaciones que aborden las limitaciones de las tecnologías actuales. 

Así que, ahora echemos un vistazo a las empresas que están empujando los límites de la tecnología de baterías y que pueden experimentar un gran crecimiento en los próximos años.

1. QuantumScape

Mientras el mundo explora alternativas, las baterías basadas en litio continúan liderando por ahora. En ese contexto, QuantumScape Corporation (QS ) se encuentra entre las principales empresas de baterías que desarrollan tecnología de baterías de litio-metal de estado sólido para vehículos eléctricos y otras aplicaciones. 

Con las baterías de iones de litio tradicionales acercándose a su límite, la empresa ha desarrollado lo que llama el primer diseño de celda sin ánodo de la industria para ofrecer alta densidad energética, costos de material reducidos y producción simplificada. 

A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales que tienen un separador de polímero, QuantumScape utiliza un separador de estado sólido. Esto permite reemplazar el ánodo de carbono o silicio por un ánodo de litio-metal, que es más denso en energía y, por lo tanto, almacena una mayor cantidad de energía en el mismo volumen. En el diseño de QuantumScape, la batería se fabrica sin ánodo y en estado descargado.

Según QuantumScape, su celda prototipo A0 de 24 capas ha completado más de 1,000 equivalentes de ciclos completos de carga‑descarga con más del 95 % de retención de energía. En octubre, la empresa presentó su primer producto comercial planificado, QSE-5, para aplicaciones automotrices. La celda de muestra B del QSE-5, cuya producción a bajo volumen ha comenzado, tiene una energía medida de 21,6 vatios‑hora (Wh). Las celdas QSE-5 pueden cargarse del 10 % al 80 % en aproximadamente 12 minutos.

Con una capitalización de mercado de 2,62 mil millones, las acciones de QuantumScape cotizan actualmente a $5.13, con una caída del 1,16 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -0.95, y la relación P/E (TTM) es -5.38.

Para los últimos resultados financieros reportados, es decir, el tercer trimestre de 2024, la empresa tuvo $17,9 millones en gastos de capital mientras sus gastos operativos GAAP fueron $130,2 millones y la pérdida neta GAAP fue $119,7 millones. La liquidez al final del trimestre fue $841 millones.

QuantumScape también se asoció con el fabricante de baterías de Volkswagen, PowerCo, para llevar su tecnología QSE-5 a la producción masiva.

Durante este período, la empresa informó haber implementado con éxito su nueva tecnología de producción de separadores llamada Raptor. Luego, en diciembre, la empresa anunció el lanzamiento de Cobra, que QuantumScape dice que la pondrá en camino de entregar muestras de mayor volumen del QSE-5 este año. Cobra también se considera un paso importante hacia la comercialización de sus baterías de estado sólido para vehículos eléctricos.

2. Solid Power

Fundada en 2011, Solid Power (SLDP ) se desprendió de la Universidad de Colorado Boulder con financiación de DARPA. A lo largo de los años, obtuvo contratos de la Fuerza Aérea y firmó un acuerdo con el Departamento de Energía.

En 2018, la empresa tuvo su primera ronda de financiación basada en capital, y en 2021, anunció una ronda de inversión de $135 millones liderada por el Grupo BMW, Ford Motor Company (F ) y Volta Energy Technologies. 

Tanto Ford como el Grupo BMW han ampliado desde entonces sus acuerdos de desarrollo conjunto existentes con Solid Power para asegurar todas las baterías de estado sólido para sus futuros vehículos eléctricos. En el año anterior, Solid Power había producido celdas de metal de litio de 320 Wh/kg y 20 Ah que, según informó, superaban la energía específica de las baterías de iones de litio comercialmente disponibles.

La empresa está involucrada en el desarrollo de la tecnología de baterías de estado sólido de próxima generación, que, según afirma, tiene el potencial de revolucionar los futuros mercados de energía móvil. Su enfoque está particularmente en electrolitos sólidos basados en sulfuro para vehículos eléctricos, con un objetivo de costo de $85/kWh. La meta es escalar la producción de electrolitos para alimentar 800 000 vehículos eléctricos con sus celdas de batería anualmente para 2028.

Con una capitalización de mercado de 268,77 millones, las acciones de Solid Power cotizan actualmente a $1.50, con una caída del 21,16 % en lo que va del año. La empresa comenzó a cotizar en Nasdaq a finales de diciembre de 2021. Su EPS (TTM) es -0.47, y la relación P/E (TTM) es -3.14.

Para sus resultados financieros reportados más recientemente, del tercer trimestre de 2024, Solid Power entregó $4,7 millones en ingresos, lo que representó una disminución de $1,7 millones respecto al mismo trimestre del año anterior. Esta caída en los ingresos se debió principalmente a la finalización de sus hitos con BMW. Sus gastos operativos para el período fueron mayores debido al aumento de los costos de producción, costos de desarrollo de celdas y electrolitos, escalado de operaciones y ejecuciones. Sin embargo, su posición de liquidez se mantuvo fuerte, ya que SolidPower terminó el trimestre con $348,1 millones en liquidez total.

Durante este período, la empresa comenzó a trabajar en su centro de innovación de electrolitos (EIC) para mejorar los procesos de fabricación de su electrolito pre‑piloto.

Más recientemente, Solid Power anunció que ha asegurado hasta $50 millones en financiación del Departamento de Energía de EE. UU. para la producción continua de materiales de electrolitos sólidos basados en sulfuro. Como parte de un Acuerdo de Asistencia, Solid Power contribuirá con $60 millones de sus propios fondos para apoyar la instalación de equipos, lo que se espera que refuerce la escala de fabricación de la empresa.

Conclusión 

Las baterías de iones de litio continúan reinando suprema en muchos dispositivos electrónicos de consumo comunes, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía (ESS). La creciente adopción de estas baterías se debe a su alta densidad energética y a sistemas industriales de preparación maduros, pero si queremos integrar fuentes de energía abundantes y renovables en la red eléctrica, necesitamos encontrar mejores soluciones.

El almacenamiento a largo plazo de energía solar y eólica requiere baterías de gran tamaño, pero las baterías de litio son prohibitivamente caras para esta tarea. Sin mencionar que su inflamabilidad representa un riesgo de seguridad considerable. Un sustituto potencial para sistemas de almacenamiento de energía a gran escala y confiables son las baterías recargables de iones de aluminio, que presentan una alternativa prometedora con su menor costo, mayor seguridad y alta capacidad volumétrica. 

Con los avances en la estabilidad del electrolito y la vida útil de la batería, las baterías de iones de aluminio podrían desempeñar un papel clave en el almacenamiento de energía a gran escala, vehículos eléctricos y más allá. Aunque persisten desafíos en su viabilidad comercial, la investigación continua está acercando estas baterías a aplicaciones reales y pronto podrían satisfacer la futura necesidad social de baterías de alta densidad energética y asequibles.

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