Batería de aire de aluminio: funcionamiento y aplicaciones
¿Qué es una batería de aluminio-aire?
Las pilas de aluminio-aire son un tipo de pila de combustible especial que utiliza el aluminio como material activo del electrodo positivo y el oxígeno del aire como material activo del cátodo.
En comparación con batería ternaria de litioLa batería de aluminio-aire tiene mayor energía. Su energía específica teórica puede alcanzar los 4000 Wh-kg-1, y la energía específica real puede alcanzar generalmente los 320-400 Wh-kg-1, que es aproximadamente 6-8 veces la de las baterías de plomo-ácido y 5 veces la de las baterías de níquel-hidruro metálico.
Las baterías de aluminio-aire tienen las ventajas de una gran capacidad, una elevada energía específica, un peso ligero y una larga vida útil. Puede satisfacer las necesidades de los equipos eléctricos para sistemas de baterías de alta corriente y alta potencia.
Principio de la batería de aluminio-aire
La pila de aluminio-aire está compuesta por un electrodo negativo de aleación de aluminio, un electrodo de aire (electrodo positivo), un electrolito neutro o alcalino y la carcasa de la pila. Su estructura se muestra en la figura 1.
Durante el proceso de descarga de la batería, el aluminio se consume continuamente y se genera Al(OH)3, y el oxígeno se difunde a la interfaz de reacción trifásica del electrodo de aire para experimentar una reacción de reducción. Su ecuación de reacción básica es
Electrodo negativo: Al 3OHˉ → Al(OH)3 3eˉ (1)
Electrodo positivo:O2 2H2O 4eˉ→ 4OHˉ (2)
Reacción total de la pila: 4Al 3O2 6H2O → 4Al(OH)3 (3)
Estructura de batería de aire de aluminio
Las baterías de aluminio-aire tienen una elevada potencia de descarga y van acompañadas de la generación de Al(OH)3 y calor. Se requiere una estructura de batería fiable y razonable para garantizar un funcionamiento seguro y estable de la batería.
En los últimos años, los investigadores han diseñado una gran variedad de nuevas estructuras de baterías modulares que pueden conseguir un rendimiento ininterrumpido de la batería. Puede reciclar fácilmente los electrodos metálicos y sustituir los componentes de los electrodos, además de drenar el electrolito de la batería cuando ésta no funciona.
Al mismo tiempo, elimina la autodescarga de la batería y la evolución del hidrógeno y prolonga su vida útil. Además, gracias al diseño optimizado de la estructura de la batería, se reduce su peso y se aumenta su densidad específica de energía, esforzándose por cumplir los requisitos de las aplicaciones comerciales.
Aplicaciones de la batería de aluminio-aire
En los últimos años, se han obtenido continuamente nuevos resultados de investigación en aspectos como los catalizadores de reducción de oxígeno, la modificación de las aleaciones de aluminio y los sistemas estructurales de las baterías. El rendimiento de las baterías de aluminio-aire se ha mejorado aún más, y sus aplicaciones se han desarrollado gradualmente.
En la actualidad, los países europeos y americanos han aplicado baterías de aluminio-aire con electrolitos neutros en equipos portátiles, estaciones base de comunicaciones e instalaciones de ingeniería naval.
Las pilas alcalinas de aluminio-aire se utilizan en vehículos de motor, monitores submarinos, torpedos de largo alcance e instalaciones de buceo.
El robot submarino noruego HUGIN3000 utiliza oxígeno producido por la descomposición del peróxido de hidrógeno como gas de reacción para las baterías de aluminio-aire. El robot submarino sólo necesita transportar entre 18 y 20 kg de peróxido de hidrógeno para funcionar ininterrumpidamente durante 48 horas con una carga nominal de 900 W.
Estados Unidos ha lanzado baterías de aluminio-oxígeno para vehículos operativos submarinos no tripulados y propulsión de torpedos, con una energía específica de 440 Wh/kg, alcanzando un nivel práctico.
Además, las baterías de aluminio-aire también tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo de los vehículos eléctricos.
Las estimaciones preliminares indican que un camión medio consumirá 14 kg de aluminio y 25 L de agua por cada 400 km recorridos.
Si el bloque de aluminio del electrodo negativo pesa 68 kg y la tasa de utilización del aluminio es de 85%, el electrodo negativo puede recorrer 1.600 km. Se añade agua cada 400 km, de forma similar al repostaje de un vehículo de combustible durante el mismo tiempo de conducción.
En la actualidad, los países europeos y americanos están desarrollando vigorosamente las baterías de aluminio-aire como fuentes de energía para vehículos eléctricos, lo que les permite aprovechar al máximo las ventajas de las pilas de combustible y las baterías y promover el desarrollo de la industria del vehículo eléctrico.
Se necesitan avances técnicos para la batería de aluminio-aire
Hace unos 20 años, los científicos predijeron que la combinación de baterías de aluminio-aire y xEVs sería una de las tecnologías más prometedoras para los futuros turismos en términos de autonomía, precio de compra, costes de combustible y costes del ciclo de vida.
El rendimiento y la rentabilidad de las baterías las convierten en una alternativa económica a los combustibles fósiles. Las baterías de aluminio-aire tienen una autonomía similar a la de los coches de gasolina, estimada actualmente en 1.600 kilómetros por depósito.
¿Por qué esta tecnología ha tardado tanto en llamar la atención del público?
Durante mucho tiempo, el principal factor que ha obstaculizado la comercialización de esta tecnología ha sido en realidad la propia tecnología. Debido a problemas de aplicación en ingeniería, como la corrosión de los ánodos o la obstrucción de los poros.
Todavía existen algunas dificultades técnicas en la aplicación práctica de las baterías de aluminio-aire, que exigen seguir investigando en profundidad aspectos como la modificación del ánodo de aluminio, el desarrollo del catalizador de reducción de oxígeno, la preparación del electrodo de aire y la optimización del diseño de la estructura de la batería.
En 2020, los científicos siguen creyendo que el bajo rendimiento y el elevado coste de los cátodos, ánodos, electrolitos y otros componentes de las baterías hacen que la tecnología no sea apta para su ampliación y comercialización.
Conclusión y perspectivas
Como nuevo solución de batería Con una elevada energía específica, las baterías de aluminio-aire pueden utilizarse ampliamente en campos militares y civiles, como las fuentes de alimentación de reserva, las fuentes de alimentación portátiles, los vehículos eléctricos y los vehículos submarinos.
Para cumplir los requisitos de promoción y uso de las pilas de aluminio-aire, es necesario centrarse en el desarrollo de catalizadores de metales no nobles con una elevada actividad catalítica. Los trabajos de investigación relacionados pueden continuar tanto en quelatos orgánicos metálicos como en catalizadores de óxido de manganeso.
Entre ellos, los métodos de aleación tienen brillantes perspectivas para mejorar la actividad y la resistencia a la corrosión del aluminio. Es necesario seguir mejorando la fórmula de dopaje, y complementarla con la tecnología de tratamiento térmico de aleaciones de aluminio para mejorar las propiedades integrales del aluminio.
En el futuro, es probable que el rendimiento de las pilas de aluminio-aire mejore gradualmente y que su aplicación industrial también se haga realidad de forma progresiva.
