Baterías de estado sólido impresas

Actualmente vivimos en un mundo que depende en gran parte de las baterías de iones de litio. Teléfonos inteligentes, computadoras, electrónicos e incluso las nuevas generaciones de vehículos dependen de ellas. Sin embargo, la extracción de litio representa un importante problema ambiental, ya que puede causar la contaminación del aire y del suelo. El desarrollo de las baterías busca generar nuevos productos que sean más densos energéticamente, más livianos y seguros. Aquí es donde entran en juego las baterías de estado sólido impresas en 3D.

Las baterías de estado sólido tienen la misma capacidad que las baterías de iones de litio, pero suelen ser de la mitad de su tamaño y cerca de un tercio de su peso. En Estados Unidos, la empresa Sakku se encuentra desarrollando una batería con tecnología de “fabricación aditiva”, lo que le permite hacer impresiones en 3D, de tal forma que puede superponer materiales en una sola capa delgada. Así, la empresa busca obtener una mayor densidad de energía, minimizando el volumen de todos los elementos que no aportan al rendimiento de la batería.

De esta forma, se puede lograr incorporar elementos de una batería común, como el ánodo, el cátodo y el electrolito cerámico que los separa, en una sola capa de material. La plataforma de impresión 3D de la empresa se basa en el proceso de impresión por chorro de aglomerante desarrollado por el MIT. En la inyección de aglutinante se deposita un agente líquido sobre un lecho delgado de partículas de polvo, de tal forma que se puede combinar el chorro de metal y el chorro de aglutinante cerámico en una sola construcción.

En una batería se tienen filamentos llamados “dendritas”, las cuales crecen en el ánodo cada ciclo de batería. Eventualmente, las dendritas, que crecen en forma de aguja, pueden penetrar a través del electrolito hasta el cátodo, lo cual puede causar un cortocircuito que derive en un incendio. Este suele ser un problema de relevancia cuando se trata de baterías para vehículos eléctricos, ya que la batería suele colocarse justo debajo de los pasajeros.

Para suprimir el crecimiento de las dendritas, se ha desarrollado un método donde se colocan capas de diferentes materiales y estabilidades entre el ánodo y el cátodo, para controlar y contener estos filamentos. Este prototipo de laboratorio puede cargarse y descargarse al menos 10,000 veces a una alta densidad de corriente sin degradarse mucho.

De esta forma, se espera mejorar la capacidad energética de la batería de estado sólido y su eficiencia energética volumétrica, la cual ha aumentado más de 12 veces. Así, en un futuro se podrían tener baterías que entreguen hasta un 25% más energía. Estas características hacen que este tipo de baterías sean ideales para diversas industrias, especialmente la de los electrónicos, la aeroespacial y la de transporte.

“La naturaleza de la impresión en 3D puede ayudar a los desarrolladores de productos a reducir su dependencia de otras empresas al optimizar sus cadenas de suministro”.

La naturaleza de la impresión en 3D puede ayudar a los desarrolladores de productos a reducir su dependencia de otras empresas al optimizar sus cadenas de suministro. De esta forma, además de los beneficios tecnológicos que ofrecen estas baterías, se esperan importantes beneficios económicos que al final de su ciclo de producción tendrían un impacto positivo en el costo para el cliente.

Si se logran resolver los problemas de estabilidad, las baterías de estado sólido podrían tener una gran oportunidad dentro del mercado de baterías para los vehículos eléctricos. Esto va de la mano con las tendencias actuales de movilidad sostenible, que apuntan hacia los vehículos eléctricos y los impulsados por celdas de combustión de hidrógeno.

Sin embargo, los vehículos eléctricos están lejos de ser el único mercado potencial para esta tecnología. La impresión en 3D de baterías de estado sólido podría utilizarse para el sector transporte de la misma forma que para los dispositivos utilizados en el internet de las cosas o para equipos médicos. Sin duda es un campo de la ingeniería que tiene un potencial importante en el corto y mediano plazo.

*/ Aban Moreno posee la Maestría en Administración de la Energía y sus Fuentes Renovables por parte del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), además de ser ingeniero eléctrico-electrónico egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México, con una Especialidad en Energía Eléctrica y otra en Ahorro y Uso Eficiente de la Energía. Actualmente es gerente de Desarrollo de Negocios de OLEUM Servicios y Dictaminación Técnica y académico de la Facultad de Ingeniería de la UNAM.

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