La microelectrónica encierra la dificultad de hacer funcionales circuitos de tamaño muy reducido, pero a veces se pasa por alto que las baterías que alimenten a estos dispositivos también tienen que ser extremadamente pequeñas, lo que entraña problemas de rendimiento. Una investigación conjunta entre miembros de las Universidades de Harvard e Illinois ha dado un paso de gigante para resolver esta cuestión, cada vez más apremiante, construyendo el componente mediante impresión 3D.
La tendencia a miniaturizar los dispositivos electrónicos es cada vez más intensa. Desde implantes médicos a pequeñas cámaras o micrófonos requieren una fabricación a escala diminuta y baterías de igual tamaño. El concepto de las gafas inteligentes, que aparte de Google están desarrollando otras compañías, se nutre de estos microcomponentes. A estos niveles habitualmente la fuente de alimentación energética es de mayor tamaño que la parte que integra los circuitos propiamente dichos.
El equipo de investigación formado por Jennifer Lewis, del Wyss Institute de la Universidad de Harvard, y Shen Dillon, de la Universidad de Illinois, ha abordado el problema desde el punto de vista del método de fabricación de las baterías. Dado que las técnicas industriales que se utilizan normalmente para construir este componente no resultan efectivas a una escala reducida, los científicos optaron por examinar las posibilidades de la impresión 3D. Finalmente lograron crear mediante esta técnica baterías del tamaño de un grano de arena.
Con este trabajo se han solventado dos cuestiones. El primer problema resuelto es la búsqueda de baterías para los dispositivos pequeños. Estas no tenían, por lo general, la capacidad suficiente como para dar energía a los circuitos electrónicos. La segunda, no menos importante, es la obtención de este componente mediante impresión en 3D.
Una impresión en 3D especial
La fabricación de baterías pequeñas se lleva a cabo tradicionalmente con láminas de materiales sólidos, con el fin de construir los electrodos. Sin embargo, éstos no son capaces de almacenar una cantidad suficiente de energía debido a su estado sólido. Los investigadores se dieron cuenta de que se podría aumentar la capacidad si se creaban montones de electrodos ultrafinos, firmemente entrelazados.
Pero la impresión en 3D de una batería no puede compararse con los objetos que normalmente salen de los plásticos ABS o PLA. Los investigadores crearon una serie de materiales con propiedades eléctricas y químicas, que pudieran concentrarse, calentarse y después solidificarse al instante para ser utilizados por una máquina que también habían modificado. La boquilla de la impresora era más fina que un cabello.
La materia prima de la impresora 3D tenía que servir finalmente para crear los electrodos, ánodo y cátodo, que tenían que ser electroquímicamente activos. Por ello, el material usado para la parte del ánodo contenía nanopartículas de óxido de litio de un metal, mientras que la base del elemento opuesto se componía de óxido de litio de otro metal. Estos conjuntos se apilaban y entrelazaban entre sí para después meterlos dentro de una caja contenedora que se rellenaba con una solución de electrolito. Ya estaba fabricada una batería.
“El rendimiento electroquímico es comparable a las baterías comerciales en términos de ritmo de carga y descarga, ciclo de vida y densidades energéticas. Hemos sido capaces de conseguir esto en una escala mucho más pequeña”, comenta el profesor adjunto de la Universidad de Illinois, Shen Dillon. Las nuevas baterías facilitarán la construcción de pequeños dispositivos con fines médicos o en el campo de las comunicaciones.
Buscando aumentar la capacidad
La energía que ofrecen las baterías actuales se está quedando por debajo de las prestaciones que proporcionan los dispositivos de hoy en día. Compañías y centros de investigación son conscientes de este desequilibrio y se está trabajando para solventarlo. El aumento de la eficiencia no basta para cumplir con las exigencias de la movilidad.
Una reciente investigación para solventar esta limitación se ha centrado en el uso de nanocristales de estaño. Científicos suizos han demostrado que este material podría mejorar la capacidad de las baterías de ion litio, que otras investigaciones ya han dado por perdidas, buscando compuestos diferentes. En este caso, se dota al ánodo de un poder para absorber iones de litio fuera de lo normal. En comparación con las baterías habituales, estos electrodos almacenan el doble de energía.
Imagen: Medialab Prado
