El aluminio es más abundante y más barato que el litio, lo que lo hace potencialmente atractivo para el almacenamiento de energía a gran escala, incluso si el la tecnología nunca llegó a ser lo suficientemente liviano para uso en automóviles o teléfonos.
El aluminio también tiene la ventaja sobre el litio de que se puede utilizar en forma metálica sin las preocupaciones de seguridad que suscita el litio metálico.
El equipo de Cornell se propuso descubrir por qué las baterías de aluminio desarrollan cortocircuitos y mueren después de solo unos pocos ciclos de carga y descarga, estudiando una celda simple donde un cátodo de aluminio metálico se enfrenta a un ánodo de acero inoxidable a través de un separador de fibra de vidrio empapado en electrolito.
Sobre el acero inoxidable crecieron picos altos de aluminio escasamente espaciados en unos pocos ciclos de carga y descarga, empujando a través de la fibra de vidrio y haciendo un cortocircuito con el electrodo de aluminio opuesto. Lo mismo ocurrió con el uso de espumas de níquel no planas en lugar de acero inoxidable plano.
Estos depósitos montañosos encerraron el aluminio, lo que resultó en una reducción ciclo a ciclo de la energía almacenada en la corta vida útil de la célula, según Cornell.
Nada de esto era un conocimiento nuevo, ni lo fue lo siguiente que confirmó Cornell: que una parte importante del problema es el deseo del aluminio de reaccionar con el separador de fibra de vidrio y su falta de entusiasmo por la superficie del ánodo de acero inoxidable o níquel.
La pregunta fue: ¿hay una superficie de electrodo que el aluminio quiera unir con mucho más que fibras de vidrio?
Y la respuesta de Cornell fue 'sí': fibras de carbono con una superficie oxidada, una que permite que se forme un enlace CO-Al, que une la fibra al metal.
La oxidación se liberó con la exposición al electrolito, que es una mezcla de cloruro de imidazolio y cloruro de aluminio que naturalmente adhiere oxígeno a abundantes defectos en la superficie del carbono.
En lugar de formar picos, los iones de aluminio que aterrizan en la superficie del carbono oxidado se acumulan hacia los lados en lugar de hacia arriba, formando una estera uniforme de cristales a nanoescala (ver foto). Incluso cuando los cristales más grandes crecieron una vez que la superficie estuvo completamente cubierta, se mantuvieron bajos y no treparon a los picos, y esto siguió siendo cierto en corrientes más altas que normalmente alentarían un crecimiento desigual.
Los ánodos han retornado muy por encima del 99% del aluminio depositado a través de cientos de ciclos de carga y descarga durante miles de horas, o incluso miles de ciclos, según la corriente y la cantidad del último 1% que queda cada vez.
Posteriormente, se encontró un recubrimiento a base de carbono para el acero inoxidable que tuvo un efecto similar, y una versión modificada de la técnica parece prometedora para las baterías de zinc metálico.
La Universidad de Cornell trabajó con el Laboratorio Nacional Brookhaven y la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook.
Esta investigación está cubierta en el artículo de Nature Energy 'Regulación de la morfología de la electrodeposición en ánodos de batería de zinc y aluminio de alta capacidad usando unión interfacial metal-sustrato'.