Una de las tecnologías que está haciendo más cómodo nuestro estilo de vida del siglo XXI es la batería de iones de litio. Estos paquetes de energía permiten el funcionamiento de los teléfonos móviles y de los coches eléctricos, de los ordenadores portátiles y de los dispositivos de atención médica, de los robots y sensores a distancia, y de mucho más. Como era de esperar, a principios de este año sus desarrolladores recibieron el Premio Nobel de Química.

Pero los científicos de materiales necesitan desesperadamente mejores baterías para internet de las cosas, para la próxima generación de dispositivos personales y para mucho más. También necesitaremos mejores baterías para almacenar energía de fuentes renovables e intermitentes, como la eólica y la solar.

El rendimiento de una batería es el resultado de distintos factores. La densidad energética es crucial; como también lo es la capacidad de mantener la carga sin perderla. Luego está la posibilidad de recargar, no solo una vez, sino miles o decenas de miles de veces, y, por supuesto, también está la seguridad.

Los electroquímicos saben muy bien lo delicado que es este equilibrio. En consecuencia, los fabricantes de baterías son cautelosos al intentar nuevos enfoques, para no producir una caída del rendimiento. Por eso, las mejoras suelen ser graduales y pequeñas. ¿De dónde podrían provenir las grandes mejoras que necesitamos?

El investigador de la Universidad de Cork (Irlanda) Vladimir Egorov y sus colegas afirman que las baterías del futuro se fabricarán mediante impresión 3D. El equipo ha examinado las nuevas y diversas técnicas de impresión para baterías y sugiere que este enfoque permitirá una nueva generación de dispositivos más pequeños y más capaces.

Primero algunos antecedentes. La impresión 3D es el término general para referirse a una variedad de técnicas que permiten crear objetos tridimensionales agregando material capa por capa. El enfoque ofrece una forma estupenda para diseñar prototipos, sin mencionar alimentos exóticos, partes del cuerpo como prótesis e incluso edificios enteros. El uso de muchas máquinas de impresión en paralelo permite la producción en masa de distintos artículos como piezas de coches y aviones y de zapatos. Y cuando hay un nuevo diseño disponible, se puede imprimir rápidamente, con un mínimo cambio de configuración del espacio de producción.

Los científicos de materiales también han empezado a experimentar con formas de imprimir los circuitos electrónicos utilizando tintas de polímeros y polímero de plata para los rastros, lo que eliminaría la necesidad de soldaduras. De esta manera, las placas de circuito podrían adoptar más o menos cualquier forma e incluso formar parte de la estructura de un dispositivo.

Esto es mucho más difícil de hacer cuando es necesario incorporar baterías convencionales, que vienen con tamaños y formas específicas y predeterminadas. La posibilidad de imprimir baterías 3D lo cambiaría. "Si fuera posible imprimirlas para integrarlas a la perfección en el diseño del producto, tanto por razones estéticas como por comodidad o funcionalidad, la batería estándar más voluminosa y fija no se tendría que incluir en la etapa del diseño del producto", afirma Egorov.

Eso sí, todo esto es mucho más fácil de decir que de hacer. Los materiales electroactivos que se utilizan en las baterías son inherentemente reactivos, y las estructuras como los ánodos y los cátodos son físicamente complejas. A menudo deben colocarse como cristales y, a veces, son porosas como esponjas moleculares. Siempre deben estar químicamente bien definidas.

Resulta un reto crear versiones de estos materiales adecuadas para la impresión 3D, ya sea por extrusión de un sólido o líquido o por la polimerización de líquido. Una vez impresos, estos materiales deben mantener sus interconexiones eléctricas, controlar estrictamente cualquier reacción química entre los componentes y garantizar que las baterías puedan cargarse y descargarse durante muchos ciclos.

Lo más importante de todo es que las baterías deben ser seguras. Todas las baterías tienen que pasar unos estrictos estándares de seguridad antes de poder usarse en hogares, vehículos, aviones, etcétera. Las baterías que gotean pueden causar graves daños. Pero el riesgo más grave es el fuego. Es posible que los criterios de prueba tengan que cambiar para permitir nuevos diseños de constantes cambios.

E incluso si logramos superar todos estos desafíos, surge otra pregunta. ¿Las baterías 3D serán más potentes que los diseños existentes? Egorov y su equipo proporcionan una visión general de los materiales, métodos y desafíos que enfrenta la industria de las baterías para imprimir los paquetes de energía del futuro. Pero los revisores necesitan un elemento importante del futuro diseño de las baterías donde la impresión 3D podría tener un papel significativo.

Uno de los mayores y más importantes desafíos para la industria de las baterías consiste en hacer que sus productos sean reciclables. Las baterías actuales están diseñadas específicamente para que no se puedan desmontar fácilmente, por lo que reutilizar los valiosos materiales que contienen es casi imposible.

Eso no casa bien con una tecnología que tendrá un papel central en la transición de la sociedad de los combustibles fósiles a las energías renovables. Así que el cambio es muy necesario. La opinión actual es que las baterías deben diseñarse teniendo en cuenta el reciclaje desde el principio, y que esto requerirá una idea completamente nueva por parte de los diseñadores de baterías. La flexibilidad que permite la impresión 3D tiene el potencial de activar y acelerar esta revolución tan necesaria. Aunque Egerov y su equipo han obviado este problema (el término "reciclaje" no aparece en su estudio), el resto de la industria de las baterías no puede permitirse ese lujo.

Ref: arxiv.org/abs/1912.04400 : Evolution of 3D Printing Methods and Materials for Electrochemical Energy Storage