| Términos importantes para leer este artículo |
| Aleación: Producto homogéneo, obtenido por fusión, compuesto de dos o más elementos químicos, uno de los cuales, al menos, debe ser un metal. (Real Academia Española, 2024) Corrosión: Desgaste o alteración de un metal o aleación. Materiales grafíticos: Materiales basados en grafito. |
¿Cuál es el problema?
Existe el deseo de poder aprovechar de mejor forma todas las fuentes de energía renovable en Costa Rica. Una de las dificultades, especialmente en el área de transporte, es lograr almacenar dicha energía. Aquí entran las baterías. Ya que las opciones comerciales que tenemos en este momento, si bien son de varios tipos, tienden a ser contaminantes e imposibles de reciclar aquí en el país. Por lo tanto, este equipo se dió a la tarea de buscar alternativas para las baterías de litio, como las baterías de aluminio.
¿Por qué el aluminio?
“El aluminio tiene muchas ventajas para poder ser usado en estos aparatos, ya que es el tercer elemento más abundante en la corteza terrestre, es liviano, tiene una capacidad para almacenar energía cuatro veces mayor que las baterías ion-litio por unidad de volumen, no causa daño ambiental y es reciclable.” Escribió el Dr. Diego González Flores, uno de los investigadores del proyecto, en el artículo “Las baterías de aluminio prometen resolver problemas del transporte eléctrico” (2022)
¿Qué problemas tienen actualmente las baterías de aluminio?
El “gran problema” de las baterías de aluminio es la autodescarga. Lo que sucede es que la energía que guarda la batería se pierde cuando el aluminio no logra cumplir su función debido a la corrosión. Esta alteración temprana del aluminio puede prevenirse si se logra crear una aleación de aluminio que tenga mucha mejor resistencia a la corrosión.
En parte, la dificultad e inconsistencia de mantener su energía intacta es una de las razones por las que este tipo de baterías todavía no llegan al nivel de aplicación comercial. Aún así, vale mucho la pena trabajar los prototipos hasta que el resultado deseado sea conseguido.
Unos de los mayores problemas de las baterías de aluminio es la autodescarga debido a la corrosión del aluminio en medio básico. Es por eso que se requiere aleaciones de aluminio con la mayor resistencia a la corrosión posible. El estudio de las aleaciones de aluminio se realiza en colaboración con el Grupo del Dr. Jorge Cubero en el Instituto Tecnológico de Costa Rica en donde poseen técnicas metalúrgicas modernas que permiten aplicar un alto estrés mecánico en forma de presión y torsión, lo cual permite obtener aleaciones con propiedades novedosas e interesantes. El objetivo es lograr aleaciones que permitan la mayor resistencia a la corrosión del aluminio en medio básico.
–LabVolta del CELEQ UCR (2019)
Objetivo general: “Desarrollar una batería de ión-aluminio con un cátodo que utilice materiales grafíticos y un ánodo de aluminio modificado por deformación plástica, diseñados para mejorar sus propiedades de almacenamiento de energía”
A continuación vemos una ilustración proporcionada por el equipo. Esta resalta las secciones que componen una batería o pila, para facilitar la visualización de los componentes que se desarrollaron durante esta investigación.
¿Qué se hizo? y ¿Para qué?: objetivos específicos
- Preparar al menos 3 materiales grafíticos por medio de distintas técnicas de síntesis y modificación química en fase líquida y/o gaseosa.
- Caracterizar la morfología y propiedades químicas de los materiales grafíticos preparados por medio de técnicas de difracción de rayos X así como espectroscopía de barrido de electrones, raman e infrarrojo.
- Armar baterías de ión-aluminio usando aluminio 99.999% de pureza y aluminio modificado por medio de técnicas de presión-torción para formar nuevas fases, junto con líquidos iónicos y materiales grafíticos mencionados en los objetivos anteriores.
- Determinar la eficiencia de almacenamiento de las baterías preparadas por medio de técnicas tales como curvas de potencia, de polarización y de descarga.
Todo esto significa que se planteó encontrar al menos 3 materiales grafíticos en esta investigación. Para luego estudiarles y determinar cuáles características presentan estos materiales y si son las características deseadas. Luego, con estos materiales, se armaron y probaron prototipos de baterías. Esto hasta determinar si las baterías funcionan para almacenar la energía satisfactoriamente. Se prueban cosas como las curvas de potencia, polarización y de descarga.
Resultados
En los resultados el equipo resalta que:
Se obtuvo nuevas aleaciones de aluminio con propiedades anticorrosivas y que permiten obtener baterías con capacidades de hasta 1400 mAh/g (que son de las más altas reportadas para esta tecnología).
Nota del artículo: Para proporcionar una comparación cotidiana, una batería (o pila) recargable AA de marca Duracel es de 1300 mAh.
Se fabricó nuevas baterías por medio de diseño e impresión 3D que permitió obtener baterías con capacidades similares a las baterías AA comerciales.
Se descubrió un nuevo anticorrosivo (NH4VO3) que puede ser utilizado en diferentes aleaciones de aluminio tales como Al7475, Al6062 y Al5052 y duplicar tanto la capacidad con el tiempo de operación de las baterías. Esto convierte a este aditivo en una alternativa versátil, eficiente y barata para ser empleada en baterías de aluminio. Los resultados de este proyecto son de gran relevancia para el área de investigación ya que abren una nueva puerta para el desarrollo de nuevos materiales para baterías de aluminio.
¿Qué futuro tienen investigaciones similares más adelante?
A medida que se va expandiendo el conocimiento en esta área y se realizan más y más pruebas, es posible que a futuro veamos estas baterías en un uso cotidiano acá en el país.
En un artículo escrito por el mismo Dr. Diego González Flores, para la Universidad de Costa Rica, nos explica cómo una de las metas de desarrollar esta tecnología es usarlas para transportes como bicicletas eléctricas. Otras formas de uso, como para tecnología portátil, también se lista como posibles a futuro.
El artículo del Dr. Diego se encuentra listado en la sección de abajo y recomiendo leerlo si este tema les ha sido de interés y desean saber más al respecto.
Algunas de las publicaciones que producto de la investigación
| Publicaciones que salieron de esta investigación | |
| Se ha preparado una página web para ayudar a la difusión de temas relacionados con baterías: En Español https://labvoltaceleq.wixsite.com/website En Inglés https://labvoltaceleq.wixsite.com/website-1 |   |
| Se realizó la siguiente publicación: Costa Rica hace historia creando conocimiento y tecnología aplicada a energías renovables, almacenamiento y producción de biogás |  |
| Se realizó el siguiente video de difusión:https://www.youtube.com/watch?v=6bCZhjMVB4Y&t=35s | |
| Se participó en la actividad del bus de la ciencia de laUCR en la zona sur:https://www.ucr.ac.cr/noticias/2019/11/08/el-bus-de-la-ciencia-visita-la-zona-sur-para-divulgar-los-resultados-de-investigaciones-sobre-esta-region.html |  |
| Artículo del Dr. Diego González Flores: Las baterías de aluminio prometen resolver problemas del transporte eléctrico. Disponible en: https://www.ucr.ac.cr/noticias/2022/2/09/las-baterias-de-aluminio-prometen-resolver-problemas-del-transporte-electrico.html |  |
Equipo
| Diego Andrés González Flores | UCR | Química-CELEQ |
| Oscar Rojas Carrillo | UNA | Química |
| Claudia Chaves Villarreal | TEC | Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales |
| Mavis Montero Villalobos | UCR | Química |
| Roberto Urcuyo Solórzano | UCR | Química |
| Jorge Cubero Sesin | TEC | Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales |
| Joaquín González Hernández | TEC | Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales |
Asistentes
Alexander Campos Quirós – TEC
Mildred Chaves Villavicencio – TEC
Nohelia Campos Zúñiga – TEC
Anyie Atencio Estrada – UCR
Jhon Paniagua Rojas – UCR
Ruth Guido Guido – UNA
Dayatri Bolaños- UCR
Allan Leòn – UNA
Fuentes adicionales del artículo
Atencio, A. P., Aviles, J. R., Montero, M. L., González-Flores, D., & Ocón, P. (2022). Performance Improvement of Alkaline–Electrolyte Aluminum–Air Batteries by NH 4 VO 3 -Based Additives. Energy & Fuels, 36(5), 2851-2860. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c04259
Fenés, G. (6 de Abril de 2020) Costa Rica hace historia creando conocimiento y tecnología aplicada a energías renovables, almacenamiento y producción de biogás Energía Estratégica. Disponible en: https://www.energiaestrategica.com/febrero-2020-en-el-marco-de-un-proceso-de-expansion-y-busqueda-de-nuevos-mercados-que-lleva-adelante-impsa-la-empresa-tecnologica-argentina-esta-participando-de-la-licitacion-de-las-empresas-egipc/
González, D. (2022) Las baterías de aluminio prometen resolver problemas del transporte eléctrico. UCR Noticias. Disponible en: https://www.ucr.ac.cr/noticias/2022/2/09/las-baterias-de-aluminio-prometen-resolver-problemas-del-transporte-electrico.html
LabVolta (2019) Aleaciones de Aluminio. LABVOLTA. Recuperado el 22 de Mayo de 2024, de: https://labvoltaceleq.wixsite.com/website/proyecto-aluminio-aire
Paniagua Rojas, J., González-Hernández, J. E., Cubero-Sesin, J. M., Horita, Z., & González-Flores, D. (2023). Benchmarking of Aluminum Alloys Processed by High-Pressure Torsion: Al-3% Mg Alloy for High-Energy Density Al–Air Batteries. Energy & Fuels, 37(6), 4632-4640. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c03722
Real Academia Española. (2024). Aleación. Diccionario de la lengua española. Recuperado el 22 de Mayo de 2024, de: https://dle.rae.es/aleaci%C3%B3n