En un mundo cada vez más dependiente de dispositivos electrónicos, coches eléctricos y energías renovables, la búsqueda de baterías más eficientes, seguras y sostenibles se ha convertido en una carrera científica global. Actualmente, la mayoría incorporan sustancias peligrosas, lo que las convierte en potenciales agentes contaminantes del medio ambiente cuando se eliminan en vertederos u otros sitios al concluir su vida útil.
Las baterías de aluminio se basan en la reacción electroquímica entre el aluminio y otro componente, generalmente un electrolito, para generar electricidad. En su diseño, el aluminio actúa como ánodo (electrodo negativo), donde se produce la oxidación, mientras que el cátodo (electrodo positivo) varía según el tipo de batería. Durante la descarga, los iones de aluminio se disuelven en el electrolito y migran hacia el cátodo, liberando electrones que se aprovechan para crear una corriente eléctrica que alimenta dispositivos. Al cargarse, el proceso se invierte, permitiendo que los iones de aluminio se depositen nuevamente en el ánodo.
Así son las baterías de aluminio con electrolito sólido
Las baterías de aluminio con electrolito sólido destacan como una tecnología emergente que podría desafiar el dominio de las omnipresentes baterías de litio. Un ejemplo destacado es el trabajo de la Universidad de Chalmers (Suecia), donde investigadores han desarrollado prototipos con cátodos de antraquinona, un material orgánico que mejora la eficiencia. Ahora, un equipo de científicos de China ha desarrollado una batería de iones de aluminio con una vida útil potencialmente prolongada. Pero, ¿cómo funcionan? ¿Qué ventajas ofrecen? Y, sobre todo, ¿por qué aún no están en el mercado?
Las baterías tradicionales de litio-ion almacenan energía mediante el movimiento de iones de litio entre un ánodo (polo negativo) y un cátodo (polo positivo), a través de un electrolito líquido. En las de aluminio con electrolito sólido, el litio se sustituye por aluminio en el ánodo, mientras que el electrolito líquido se reemplaza por un material sólido, como una cerámica o polímero conductor.
Durante la carga, los iones de aluminio (Al³⁺) se liberan del ánodo, viajan a través del electrolito sólido y se insertan en el cátodo, compuesto por materiales como el grafito o sulfuros. Al descargarse (proveer energía), el proceso se invierte. La clave está en el electrolito sólido: al ser un compuesto no inflamable y estable, evita riesgos de fugas o incendios, un problema recurrente en las baterías de litio.
Ventajas frente al litio: más allá de la seguridad
- Abundancia y coste. El aluminio es el tercer elemento más común en la corteza terrestre, lo que lo hace hasta 1.000 veces más barato que el litio. Además, su extracción es menos contaminante.
- Seguridad. Los electrolitos sólidos eliminan el riesgo de combustión asociado a los líquidos inflamables. Esto es crucial para aplicaciones como vehículos eléctricos o almacenamiento en hogares.
- Potencial de densidad energética. El aluminio puede transferir tres electrones por ión (frente a uno del litio), lo que teóricamente permite mayor capacidad. Aunque aún no se ha logrado en la práctica, estudios recientes apuntan a progresos significativos.
- Sostenibilidad. Estas baterías son más fáciles de reciclar, ya que el aluminio es ampliamente reutilizable, y evitan el uso de cobalto, un mineral vinculado a conflictos éticos y ambientales.
Obstáculos: los desafíos técnicos y comerciales
- Baja conductividad iónica. Los electrolitos sólidos suelen tener menor movilidad iónica que los líquidos, lo que limita la velocidad de carga y descarga. Aunque materiales como los sulfuros de aluminio han mejorado este aspecto, no igualan aún la eficiencia del litio.
- Degradación del cátodo. Los iones Al³⁺ son más grandes y cargados que los de litio, lo que provoca expansiones y contracciones en el cátodo durante los ciclos, generando grietas y reduciendo la vida útil.
- Dendritas. Al igual que en las baterías de litio, pueden formarse filamentos metálicos (dendritas) que perforan el electrolito, causando cortocircuitos. En electrolitos sólidos, este riesgo persiste, aunque en menor medida.
- Escalabilidad industrial. Fabricar electrolitos sólidos homogéneos y económicos a gran escala es un reto. Las técnicas actuales, como el sinterizado a alta temperatura, son caras y complejas.
La investigación china
Es precisamente en el tema de la durabilidad donde la nueva investigación china ha dado un salto de calidad que trata de solucionar el obstáculo para la adopción comercial y masiva de esta tecnología.
El equipo ha desarrollado una batería de iones de aluminio que mantiene casi intacta su capacidad tras más de 10.000 ciclos de carga, superando ampliamente el rendimiento de las baterías de iones de litio convencionales, que se deterioran significativamente después de aproximadamente 1.000 ciclos.
Este avance se logró mediante la modificación del electrolito líquido, que fue reemplazado por un electrolito sólido y una sal especializada, solucionando así los problemas de inestabilidad y corrosión. Además, la adición de una capa protectora en los electrodos previene la formación de cristales de aluminio, lo que permite que estas baterías ofrezcan una vida útil diez veces mayor con una degradación mínima
Este desarrollo, considerado uno de los mayores progresos recientes, podría facilitar la integración de baterías de iones de aluminio en los coches, lo que aportaría grandes ventajas.
La producción de estas baterías sería más económica, y además, aumentarían la autonomía de los coches eléctricos, extendiendo considerablemente su vida útil. Esto implicaría un menor costo a largo plazo para los usuarios y mayores ganancias para las compañías."
La comercialización: ¿cuándo llegará?
Empresas como Phinergy (Israel) o Solidion (EE.UU.) ya están invirtiendo en esta tecnología, pero los plazos son inciertos. La mayoría de expertos coincide en que, como mínimo, faltan 5-10 años para ver baterías de aluminio sólido en coches o teléfonos.
El camino pasa por resolver los problemas técnicos y reducir costes. Por ejemplo, el proyecto europeo SOLSTICE, financiado con 8 millones de euros, busca desarrollar electrolitos sólidos híbridos que combinen polímeros y cerámicas. Mientras, en Asia, grupos como el Instituto KAIST (Corea del Sur) experimentan con cátodos porosos para mitigar la degradación.