L’alluminio è più abbondante e più economico del litio, il che lo rende potenzialmente interessante per lo stoccaggio di energia su larga scala, anche se il litio è più economico la tecnologia non è mai diventato abbastanza leggero per l'uso automobilistico o telefonico.
L'alluminio ha anche il vantaggio rispetto al litio di poter essere utilizzato in forma metallica senza i problemi di sicurezza che il litio metallico suscita.
Il team Cornell ha deciso di scoprire perché le batterie in alluminio sviluppano cortocircuiti e muoiono dopo solo pochi cicli di carica-scarica, studiando una cella semplice in cui un catodo metallico di alluminio si trova di fronte a un anodo di acciaio inossidabile attraverso un separatore di fibra di vetro imbevuto di elettrolita.
Alti picchi di alluminio poco distanziati crescevano sull'acciaio inossidabile in pochi cicli di carica-scarica, spingendo attraverso la fibra di vetro e andando in cortocircuito verso l'elettrodo di alluminio opposto. Lo stesso era vero usando schiume di nichel non planari invece di acciaio inossidabile piatto.
Questi depositi montuosi hanno bloccato l'alluminio, determinando una riduzione ciclo per ciclo dell'energia immagazzinata nella breve vita della cellula, secondo Cornell.
Niente di tutto questo era una nuova conoscenza, né la cosa successiva confermata dalla Cornell: che una parte significativa del problema è il desiderio dell'alluminio di reagire con il separatore in fibra di vetro e la sua mancanza di entusiasmo per la superficie dell'anodo in acciaio inossidabile o nichel.
La domanda è diventata: esiste una superficie dell'elettrodo con cui l'alluminio vuole legarsi molto più delle fibre di vetro.
E la risposta di Cornell è stata "sì": fibre di carbonio con una superficie ossidata, una che consente la formazione di un legame CO-Al, che collega la fibra al metallo.
L'ossidazione si è liberata con l'esposizione all'elettrolita, che è una miscela di cloruro di imidazolio e cloruro di alluminio che attacca naturalmente l'ossigeno a numerosi difetti sulla superficie del carbonio.
Invece di formare picchi, gli ioni di alluminio che si depositano sulla superficie del carbonio ossidato si sono accumulati lateralmente anziché verso l'alto, formando un tappeto uniforme di cristalli su scala nanometrica (guarda la foto). Anche quando i cristalli più grandi crescevano una volta che la superficie era completamente coperta, rimanevano bassi e non salivano in picchi - e questo rimaneva vero a correnti più elevate che normalmente incoraggerebbero una crescita irregolare.
Gli anodi hanno restituito ben oltre il 99% dell'alluminio depositato attraverso centinaia di cicli di carica-scarica nell'arco di migliaia di ore - o anche migliaia di cicli, a seconda della corrente e di quanto dell'ultimo 1% rimane ogni volta.
Successivamente è stato trovato un rivestimento a base di carbonio per l'acciaio inossidabile che ha avuto un effetto simile e una versione modificata della tecnica si mostra promettente per le batterie allo zinco metallico.
La Cornell University ha lavorato con il Brookhaven National Laboratory e la State University di New York a Stony Brook.
Questa ricerca è trattata nel documento Nature Energy "Regolazione della morfologia dell'elettrodeposizione in anodi di batterie di alluminio e zinco ad alta capacità utilizzando legami interfacciali metallo-substrato".