¿Es la impresión 3D el futuro del diseño de baterías?

Baterías Getty

Una de las tecnologías habilitadoras de nuestro estilo de vida del siglo XXI es la batería de iones de litio. Estos paquetes de energía hacen posibles teléfonos móviles y autos eléctricos, computadoras portátiles y dispositivos para el cuidado de la salud, robots y sensores operados a distancia, y mucho más. Quizás 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 el Internet de las cosas, para la próxima generación de dispositivos personales y mucho más. También se requerirá que mejores baterías desempeñen un papel importante en el almacenamiento de energía de fuentes renovables, pero inconstantes, como el viento y el sol.

El rendimiento de la batería es el resultado de numerosos factores diferentes. La densidad de energía es crucial; también lo es la capacidad de mantener la carga sin que se escape. Luego está la recargabilidad, no solo una sino miles o decenas de miles de veces, y, por supuesto, la seguridad.

Los electroquímicos saben muy bien lo delicado que es este acto de equilibrio. En consecuencia, los fabricantes de baterías son cautelosos a la hora de probar nuevos enfoques, para que no disminuya un aspecto del rendimiento. Por lo tanto, las mejoras suelen ser incrementales y diminutas. ¿De dónde es probable que vengan las grandes mejoras que necesitamos?

Hoy recibimos una especie de respuesta: las baterías del futuro se fabricarán mediante impresión 3D, dicen Vladimir Egorov de la Universidad de Cork en Irlanda y algunos colegas. Estas personas han examinado las diversas técnicas de impresión nuevas para baterías y sugieren que esto hará posible una nueva generación de dispositivos más pequeños y con más capacidad.

Primero algunos antecedentes. La impresión 3D es el término general para una variedad de técnicas que permiten construir objetos tridimensionales agregando material capa por capa. Puede ser una forma de hacer diseños de prototipos para pruebas, sin mencionar los alimentos exóticos, las partes del cuerpo de reemplazo e incluso edificios completos. El uso de muchas máquinas de impresión en paralelo permite la producción en masa de artículos como repuestos y zapatos para automóviles y aviones. Y cuando hay un nuevo diseño disponible, se puede imprimir rápidamente, con una reconfiguración mínima del espacio de la fábrica.

Los científicos de materiales también han comenzado a experimentar con formas de imprimir circuitos electrónicos utilizando tintas de polímero y un polímero de plata para trazas, por lo que ya no es necesario soldar. De esta manera, las placas de circuito pueden adoptar más o menos cualquier forma e incluso formar parte de la estructura de un dispositivo.

Sin embargo, una limitación importante es la necesidad de incorporar baterías convencionales, que vienen en tamaños y formas específicas.

La capacidad de imprimir baterías 3D cambiará eso. Si se pueden imprimir para integrarse perfectamente en el diseño del producto, tanto por razones estéticas como de comodidad o funcionales, la batería estándar más voluminosa y de factor de forma fijo no necesita acomodarse en la etapa de diseño del producto, dicen Egorov y compañía.

Esto es más fácil dicho que hecho. Los materiales electroactivos utilizados en las baterías son inherentemente reactivos y las estructuras, como los ánodos y los cátodos, son físicamente complejas. A menudo deben estar ordenados como cristales y, a veces, porosos como esponjas moleculares. Siempre, deben estar químicamente bien caracterizados.

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

Lo más importante de todo, las baterías deben ser seguras. Todas las baterías deben pasar estrictos estándares de seguridad antes de que puedan usarse en hogares, vehículos, aviones, etc. Las baterías que tienen fugas pueden causar daños costosos. Pero el riesgo más grave es el fuego. Puede ser que los criterios de prueba tengan que cambiar para permitir nuevos diseños que cambian constantemente.

E incluso si todos estos desafíos se pueden superar, surge otra pregunta. ¿Serán las baterías 3D más capaces que los diseños existentes?

Egorov y compañía brindan una descripción general completa de los materiales, métodos y desafíos que enfrenta la industria de las baterías en la impresión de los paquetes de energía del futuro. Pero los revisores pasan por alto un elemento importante del futuro diseño de baterías en el que la impresión 3D podría desempeñar un papel importante.

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

Eso no le sienta bien a una tecnología que tendrá que desempeñar un papel central en la transición de la sociedad de los combustibles fósiles a las energías renovables.

Así que el cambio es muy necesario. El pensamiento actual es que las baterías deben diseñarse desde el principio teniendo en cuenta el reciclaje, y que esto requerirá una mentalidad completamente nueva por parte de los diseñadores de baterías. La flexibilidad que permite la impresión 3D tiene el potencial de poner en marcha y acelerar esta revolución tan necesaria.

Si bien Egerov y compañía ignoran este problema (el término reciclaje no aparece en su artículo), el resto de la industria de las baterías no puede permitírselo.

Ref: arxiv.org/abs/1912.04400 : Evolución de los métodos y materiales de impresión 3D para el almacenamiento de energía electroquímica

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