Un equipo de investigación dirigido por la UCLA ha utilizado la impresión 3D para fabricar un electrodo de carbono poroso que permite a una batería híbrida de iones de zinc almacenar más de siete veces la carga de dispositivos similares, al tiempo que conserva el 82 % de esa capacidad tras 1 500 ciclos de carga. El estudio, publicado en la revista Small, fue dirigido por los coautores correspondientes Maher El-Kady y Ric Kaner, junto con la autora principal, Sophia Uemura.
Un electrodo en forma de panal
El dispositivo combina dos modos de almacenamiento de energía en una sola célula híbrida. Uno de los terminales se comporta como un electrodo convencional de batería de iones de litio. El otro es un electrodo de carbono similar al que se encuentra en un supercondensador, una tecnología que se carga y descarga rápidamente y dura décadas, pero que almacena relativamente poca energía porque solo puede retener la carga en la superficie de sus electrodos.
Para sortear esa limitación, el equipo imprimió en 3D el electrodo de carbono con una estructura interna similar a un panal, utilizando una resina que se solidifica bajo la luz láser ultravioleta. Tras calentar y tratar con gas la estructura impresa para dejar solo carbono conductor plagado de cavidades abiertas, los investigadores la cargaron con óxido de vanadio, un material con alta capacidad de almacenamiento de energía. La superficie resultante es tan grande que un solo gramo, si se extendiera, cubriría aproximadamente diez pistas de tenis.
«El método que hemos utilizado nos permite construir cualquier andamio 3D, capa a capa, y controlar su microestructura», afirmó el coautor correspondiente Ric Kaner, profesor distinguido de Química y Bioquímica y de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCLA. «De hecho, podemos crear miles de millones y miles de millones de estos diminutos orificios, lo que genera una superficie interna enorme. Eso significa que podemos almacenar mucha carga».
El almacenamiento basado en el zinc también plantea un argumento en cuanto a costes y sostenibilidad: el zinc es aproximadamente 100 veces más abundante que el litio, y más fácil de extraer y reciclar. «En algún momento, tendremos que buscar algo que complemente las opciones actuales para el almacenamiento de energía a escala de red», afirmó El-Kady, investigador adjunto del departamento de Química y Bioquímica de la UCLA.
De izquierda a derecha, el coautor correspondiente Maher El-Kady, la primera autora Sophia Uemura y el coautor correspondiente Ric Kaner. (Crédito de la foto: Julia Hu y Hai Co Tiet)
Una segunda aportación
Además de la propia batería, el equipo presentó una célula de ensayo impresa en 3D con la parte superior sellada y una separación fija entre los electrodos, diseñada para sustituir a los montajes con vasos de precipitados abiertos que aún son habituales en los laboratorios de baterías. La evaporación del electrolito y la posición inconsistente de los electrodos hacen que las pruebas con vasos de precipitados pierdan fiabilidad con el paso del tiempo. En la célula impresa de la UCLA, los electrodos de carbono estandarizados conservaron el 98 % de su carga tras 1 500 ciclos, en comparación con el fallo que se produce en menos de 100 ciclos en una configuración convencional de célula abierta.
«Es un concepto que esperamos que resulte útil para otros investigadores del sector, ayudándoles a obtener mediciones más consistentes y datos fiables para sus dispositivos», afirmó Uemura, que recientemente se ha doctorado en la UCLA. «Uno de los aspectos más interesantes de la impresión 3D es lo accesible que se ha vuelto. En este caso, cualquier persona con acceso a una impresora 3D podrá fabricar una célula de prueba como la nuestra y adaptarla a su propio trabajo».
Se trata más bien de un avance en las herramientas de investigación que de un dispositivo en sí, pero es notable: a diferencia de las celdas de ensayo de vidrio prefabricadas, que cuestan 1.000 dólares o más, una versión impresa está al alcance de cualquier laboratorio que cuente con una impresora 3D.
El estudio se llevó a cabo gracias a una colaboración entre la UCLA y la Universidad Nacional Tsing Hua de Taiwán, con financiación de una beca «Climate Action Seed Grant» de la Universidad de California, Nanotech Energy Inc. y la Cátedra «Dr. Myung Ki Hong» en Innovación de Materiales de la UCLA. Lee el estudio completo aquí.
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*Créditos de la foto de portada: Maher El-Kady/UCLA