O alumínio é mais abundante e mais barato que o lítio, tornando-o potencialmente atraente para armazenamento de energia em larga escala, mesmo que o tecnologia nunca ficou leve o suficiente para uso automotivo ou telefônico.
O alumínio também tem a vantagem sobre o lítio de poder ser usado na forma metálica sem as preocupações de segurança que o lítio metálico provoca.
A equipe de Cornell decidiu descobrir por que as baterias de alumínio desenvolvem curto-circuitos e morrem após apenas alguns ciclos de carga e descarga - estudando uma célula simples onde um cátodo de alumínio metálico enfrenta um ânodo de aço inoxidável através de um separador de fibra de vidro embebido em eletrólito.
Altos picos de alumínio esparsamente espaçados cresceram no aço inoxidável em alguns ciclos de carga-descarga, empurrando através da fibra de vidro e causando curto no eletrodo de alumínio oposto. O mesmo acontecia com o uso de espumas de níquel não planas em vez de aço inoxidável plano.
Esses depósitos montanhosos prendiam o alumínio, resultando em uma redução ciclo a ciclo na energia armazenada na curta vida da célula, de acordo com Cornell.
Nada disso era um conhecimento novo, nem foi a próxima coisa que Cornell confirmou: que uma parte significativa do problema é o desejo do alumínio de reagir com o separador de fibra de vidro e sua falta de entusiasmo pela superfície do ânodo de aço inoxidável ou níquel.
A questão passou a ser: existe uma superfície de eletrodo que o alumínio deseja ligar com muito mais do que fibras de vidro.
E a resposta de Cornell foi "sim": fibras de carbono com uma superfície oxidada - que permite a formação de uma ligação CO-Al, ligando a fibra ao metal.
A oxidação veio gratuita com a exposição ao eletrólito, que é uma mistura de cloreto de imidazólio e cloreto de alumínio que naturalmente prende o oxigênio a muitos defeitos na superfície do carbono.
Em vez de formar picos, os íons de alumínio pousando na superfície de carbono oxidado se acumularam para os lados, em vez de para cima, formando um tapete uniforme de cristais em nanoescala (Veja a foto) Mesmo quando cristais maiores cresceram depois que a superfície estava completamente coberta, eles permaneceram baixos e não subiram em picos - e isso permaneceu verdadeiro em correntes mais altas que normalmente encorajariam um crescimento desigual.
Os ânodos têm retorno bem acima de 99% do alumínio depositado por meio de centenas de ciclos de carga-descarga ao longo de milhares de horas - ou mesmo milhares de ciclos, dependendo da corrente e de quanto do último 1% resta de cada vez.
Posteriormente, um revestimento à base de carbono foi encontrado para o aço inoxidável que teve um efeito semelhante, e uma versão modificada da técnica mostra-se promissora para baterias de zinco metálico.
A Cornell University trabalhou com o Brookhaven National Laboratory e a State University of New York em Stony Brook.
Esta pesquisa é abordada no artigo da Nature Energy 'Regulando a morfologia da eletrodeposição em ânodos de bateria de alumínio e zinco de alta capacidade usando ligação interfacial de metal-substrato'.