La Universidad de Waterloo ha utilizado impresión 3D para fabricar electrodos con geometrías TPMS, estructuras tridimensionales repetitivas parecidas a formas presentes en membranas biológicas. Estas geometrías permiten que el electrolito líquido atraviese mejor el electrodo y alcance una mayor superficie reactiva.
- 🔋 Electrodos de carbono impresos en 3D para baterías de flujo.
- 🌿 Geometrías inspiradas en estructuras naturales.
- 📈 Hasta un 52 % de mejora en el transporte de las especies reactivas con el diseño más eficaz.
- 💧 Electrolitos líquidos, con posibilidad de utilizar sistemas acuosos.
- ⚡ Menores pérdidas asociadas al bombeo como objetivo clave.
- 🏭 Pensados para almacenamiento estacionario de renovables.
- 🧪 Tecnología todavía en fase de prueba de concepto.
¿Por qué importa?
La transición hacia redes eléctricas con mucha energía solar y eólica necesita algo más que instalar paneles y aerogeneradores: necesita guardar grandes cantidades de electricidad durante horas y devolverlas cuando realmente hacen falta.
Las baterías de flujo redox son una de las tecnologías que aspiran a cubrir esa función. El nuevo trabajo de la Universidad de Waterloo, en Canadá, aborda uno de sus componentes menos visibles y, a la vez, decisivos: el electrodo. En lugar de aceptar la estructura aleatoria de los materiales convencionales, los investigadores han comenzado a diseñar su interior prácticamente por encargo.
La naturaleza inspira una nueva forma de construir baterías
Una hoja, una membrana biológica o el ala de un insecto esconden estructuras tridimensionales capaces de combinar grandes superficies con caminos por los que circulan fluidos de forma eficiente. Esa lógica geométrica ha servido de inspiración a un equipo dirigido por la profesora Maxime van der Heijden, del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Waterloo.
El resultado son electrodos porosos fabricados mediante impresión 3D para baterías de flujo redox. Su peculiaridad está dentro.
Los investigadores emplearon unas geometrías conocidas como superficies mínimas triplemente periódicas, o TPMS por sus siglas en inglés. Son estructuras tridimensionales continuas y repetitivas capaces de generar canales interconectados muy definidos.
Eso permite controlar algo que con un material fibroso convencional resulta bastante más difícil: por dónde circula el electrolito y cómo llega hasta las superficies donde tiene lugar la reacción electroquímica.
No parece un cambio espectacular visto desde fuera. Dentro de una batería, la historia es otra.
El problema de hacer circular un líquido por un electrodo
Una batería de flujo necesita que el electrolito atraviese o circule junto a los electrodos. Allí se producen las reacciones químicas reversibles responsables de almacenar y liberar electricidad.
Cuanta más superficie activa exista, más lugares estarán disponibles para que se produzcan esas reacciones. Pero aparece una contradicción.
Una estructura muy compacta y con muchísima superficie puede dificultar el paso del líquido y aumentar la energía necesaria para bombearlo. Una estructura demasiado abierta facilita la circulación, pero pierde superficie electroquímicamente activa.
Ese equilibrio entre superficie, transporte de masa y resistencia hidráulica es uno de los puntos centrales del nuevo estudio.
Los electrodos comerciales utilizados habitualmente en estas baterías suelen estar formados por fibras de carbono entrelazadas. Funcionan, aunque su arquitectura interna no fue concebida específicamente para optimizar la circulación de electrolitos en una batería de flujo.
La fabricación aditiva permite plantear la cuestión de otra manera: diseñar primero el recorrido que interesa y fabricar después el material.
Cuatro geometrías y una clara vencedora
El equipo fabricó electrodos de carbono con cuatro arquitecturas TPMS diferentes: gyroid, diamond, IWP y cubic.
Las piezas iniciales se produjeron mediante una impresora 3D basada en procesamiento digital de luz (DLP). Posteriormente recibieron un tratamiento térmico que permitió transformarlas en estructuras carbonosas conductoras conservando buena parte de su compleja geometría interna.
Después llegaron las pruebas hidráulicas y electroquímicas.
La arquitectura denominada diamond proporcionó el comportamiento más favorable en transporte de masa de las configuraciones estudiadas, con una mejora comunicada por la Universidad de Waterloo de hasta el 52 %.
Un electrodo donde la porosidad se puede diseñar
El experimento también reveló algo interesante con la geometría gyroid.
Al aumentar su porosidad, el electrolito circulaba mejor y disminuían las restricciones al flujo, aunque también se reducía la superficie disponible para las reacciones.
Es precisamente aquí donde la impresión 3D puede resultar útil. En lugar de depender de un electrodo con una distribución de poros prácticamente predeterminada por su fabricación, pueden modificarse porosidad, canales y geometría interna en función del electrolito y de las condiciones de funcionamiento.
La idea abre incluso la posibilidad de diseñar electrodos diferentes para distintas químicas de baterías.
De una pieza impresa a un electrodo conductor
La impresión es solamente la primera parte del proceso.
Las estructuras se imprimieron mediante DLP y después fueron sometidas a tratamiento térmico para obtener electrodos carbonosos eléctricamente conductores.
Este paso resulta especialmente relevante porque fabricar una geometría bonita no sirve de mucho si posteriormente pierde su forma, presenta demasiada resistencia eléctrica o no soporta las condiciones electroquímicas de funcionamiento.
Las piezas conservaron los rasgos principales de las arquitecturas diseñadas incluso después del tratamiento.
El equipo primero realizó experimentos en celdas de flujo con un electrolito y posteriormente dio un paso más: introdujo los electrodos impresos en una batería de flujo redox de vanadio funcional.
Funcionaron.
Una prueba completa con vanadio
En la demostración con una batería de flujo de vanadio, los investigadores consiguieron una eficiencia de voltaje del 76 % trabajando a una densidad de corriente de 50 mA/cm², equivalente a 500 A/m².
Es un resultado de laboratorio, no una especificación comercial.
La importancia está en demostrar que las estructuras impresas no funcionan únicamente en pruebas hidráulicas aisladas. Pueden actuar como electrodos dentro de una batería real.
Por qué las baterías de flujo interesan para almacenar renovables
Las baterías de flujo separan de una manera muy particular dos conceptos que en otras baterías están estrechamente ligados: potencia y energía almacenada.
La energía se encuentra principalmente en electrolitos líquidos almacenados en depósitos externos. Bombas hacen circular esos líquidos hacia una celda electroquímica durante la carga y la descarga.
Si una instalación necesita almacenar más electricidad durante más horas, puede aumentar el volumen de electrolito y el tamaño de los depósitos. La parte electroquímica determina en gran medida la potencia que puede entregar el sistema.
Esta arquitectura resulta especialmente atractiva para instalaciones estacionarias donde el peso y el volumen importan bastante menos que en un coche eléctrico.
De hecho, las baterías de flujo ya han abandonado la escala de laboratorio. En China existen instalaciones de cientos de megavatios-hora, incluida la planta de Rongke Power de 175 MW y 700 MWh puesta en servicio en Ushi. El reto científico, por tanto, no consiste únicamente en demostrar que las baterías de flujo funcionan. Eso está superado. El siguiente paso pasa por reducir costes, mejorar densidad de potencia y optimizar cada componente.
Los electrodos entran de lleno en esa carrera.
No pretenden sustituir a todas las baterías de litio
La comparación con el ion-litio necesita cierto cuidado.
Una batería de flujo ocupa mucho espacio y necesita depósitos, tuberías, bombas y otros componentes auxiliares. Para un teléfono o un vehículo eléctrico sería poco práctica.
En una planta solar, un parque eólico o una instalación conectada directamente a la red, esas prioridades cambian.
Las baterías de flujo pueden emplear electrolitos acuosos, reduciendo determinados riesgos de incendio asociados a algunos sistemas de ion-litio. Además, permiten aumentar la duración del almacenamiento mediante depósitos mayores sin tener que incrementar proporcionalmente toda la parte electroquímica.
Por eso ambas tecnologías pueden acabar ocupando nichos diferentes dentro de la misma red eléctrica.
El punto débil que todavía debe resolverse
La impresión 3D proporciona un control geométrico extraordinario, pero todavía no supera al electrodo comercial en todos los parámetros.
Los investigadores comprobaron que las estructuras impresas presentaban una superficie electroquímica disponible inferior a la del fieltro de carbono comercial. Esa limitación reduce las densidades de corriente que pueden alcanzarse.
Aquí está probablemente una de las cuestiones decisivas para determinar el futuro de la tecnología.
También queda la fabricación.
Imprimir electrodos complejos y someterlos posteriormente a tratamientos térmicos puede ser perfectamente viable para investigación y fabricación especializada. Competir económicamente con materiales de carbono producidos industrialmente a gran escala es otra cuestión.
Los próximos trabajos del equipo se centrarán precisamente en aumentar la superficie de los electrodos, perfeccionar el proceso de fabricación y utilizar herramientas avanzadas de diseño para buscar estructuras todavía mejores.
De diseñar electrodos a optimizarlos mediante algoritmos
La investigación tiene una derivada especialmente interesante.
Una vez que la geometría del electrodo puede definirse digitalmente, deja de ser necesario limitarse a unas pocas estructuras conocidas.
Pueden utilizarse modelos computacionales para explorar miles de combinaciones de porosidad, tamaño de canal, superficie y recorrido del electrolito, buscando el equilibrio adecuado entre resistencia hidráulica y rendimiento electroquímico.
El grupo de Van der Heijden trabaja precisamente en la intersección entre fabricación aditiva, modelización, diagnóstico por imagen, aprendizaje automático y diseño de materiales porosos.
A medio plazo, una batería podría acabar teniendo electrodos cuya estructura haya sido optimizada específicamente para su química, potencia, viscosidad del electrolito y régimen de funcionamiento.
Una especie de electrodo hecho a medida. Esa puede terminar siendo la parte más interesante del trabajo.
Potencial
La utilidad real de esta tecnología dependerá de que pueda pasar de pequeñas piezas impresas a electrodos fabricados de forma rápida, reproducible y económica.
Si lo consigue, la fabricación aditiva podría ayudar a aumentar la potencia de las baterías de flujo y reducir parte de sus consumos auxiliares, dos aspectos que influyen directamente en su coste por unidad de electricidad almacenada.
Su aplicación natural estaría en instalaciones estacionarias: parques solares y eólicos, microrredes, industrias con generación renovable propia o grandes sistemas conectados a la red.
Además, una arquitectura optimizada podría combinarse en el futuro con electrolitos basados en hierro u otras sustancias abundantes, evitando que la evolución de las baterías de flujo dependa exclusivamente del vanadio.
El avance de Waterloo todavía está lejos de una batería comercial fabricada mediante impresión 3D. Pero introduce una idea con recorrido: dejar de tratar el electrodo como un simple bloque poroso y empezar a considerarlo una estructura de ingeniería que puede diseñarse hasta el último canal.
Más información: Enhancing Mass Transport in Redox Flow Batteries with 3D-Printed Triply Periodic Minimal Surface Electrode Structures
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