La batería de iones de litio se puede doblar como goma

Investigación de baterías

23 de noviembre de 2025 07:35
Dennis L.

La electrónica flexible necesita dispositivos de almacenamiento de energía que no sólo puedan doblarse sino también estirarse sin perder su función. Un equipo internacional ha presentado una batería de iones de litio cuyos componentes recuerdan más al caucho que a la cerámica. El prototipo combina un electrolito elástico con electrodos estirables y sigue siendo funcional incluso cuando su forma cambia significativamente. Sólo en detalle se aclara cómo concilian los investigadores estos requisitos mecánicos extremos con la conductividad iónica, la densidad de energía y la estabilidad del ciclo.

Las baterías de iones de litio se han convertido en el estándar en teléfonos inteligentes, portátiles y coches eléctricos porque combinan una alta densidad energética, una larga vida útil y procesos de carga eficientes. Pero para la próxima generación de dispositivos electrónicos portátiles -desde la piel electrónica hasta los textiles inteligentes y los sensores médicos implantables- ya no es suficiente que las células sean simplemente planas y delgadas. Estos sistemas se ajustan firmemente a las superficies del cuerpo, deben seguir los movimientos y se estiran, comprimen o retuercen regularmente. Los diseños de baterías clásicos con carcasas rígidas y electrolitos líquidos alcanzan rápidamente sus límites porque están diseñados principalmente para ofrecer estabilidad mecánica y estanqueidad. Las fugas de electrolitos inflamables, las microfisuras en los electrodos y las fluctuaciones de las resistencias de contacto provocarían problemas de seguridad y envejecerían rápidamente los dispositivos de almacenamiento de energía en aplicaciones blandas y en constante movimiento.

Es por eso que investigadores de todo el mundo están trabajando en conceptos en los que las propias baterías se convierten en componentes blandos y adaptables. Los enfoques iniciales van desde células delgadas y flexibles hasta dispositivos de almacenamiento de energía con forma de fibra y arquitecturas flexibles hechas de materiales blandos que ya se pueden doblar y torcer, pero que solo se pueden estirar hasta cierto punto. Un desafío clave sigue siendo hacer que los electrodos y electrolitos sean tanto conductores como elásticos sin reducir drásticamente la densidad de energía. Al mismo tiempo, otros grupos están investigando nuevas químicas de cátodos, estrategias de reciclaje y diseños que ahorran recursos, como los que se presentan en la descripción general del tema del litio. La batería extensible que ahora se presenta va un paso más allá: debería poder estirarse como una banda elástica a lo largo de largas distancias y seguir proporcionando una capacidad estable durante muchos ciclos de carga.

Batería extensible con electrolito similar al caucho.

En el corazón del nuevo concepto se encuentra un electrolito de polímero elástico que no sólo es fácil de doblar, sino que incluso puede estirarse muchas veces su longitud original en el laboratorio. Químicamente, se trata de una red a base de acrilato en la que están incrustados sal de litio y un medio líquido conductor. Bajo la irradiación ultravioleta, los monómeros se polimerizan formando un sólido continuo parecido al caucho que transporta iones de litio y al mismo tiempo puede soportar enormes extensiones. Las mediciones muestran que la propia capa de polímero se puede estirar hasta aproximadamente 50 veces su longitud (lo que corresponde a alrededor del 5.000 por ciento de alargamiento) sin romperse ni perder abruptamente su conductividad iónica. Esto hace que este electrolito elástico se diferencie fundamentalmente de los clásicos electrolitos líquidos o en forma de gel, que se filtran o pierden fácilmente su estructura bajo tensión mecánica.

Sin embargo, una batería extensible requiere algo más que un electrolito elástico. Los electrodos, es decir, ánodo y cátodo, también deben diseñarse como una combinación de partículas activas y aditivos conductores de tal manera que puedan soportar cargas de tracción sin que se rompan las vías conductoras. El trabajo actual aquí se basa constantemente en materiales e interfaces flexibles: los investigadores primero aplican una suspensión de material activo de cátodo o ánodo, negro de carbón y nanocables de plata a un sustrato. Luego, la capa se cubre con un polímero de silicona, que también es muy elástico. La combinación de electrolito elástico y electrodos flexibles tiene como objetivo garantizar que toda la batería extensible se deforme homogéneamente bajo tensión en lugar de fallar en interfaces rígidas individuales, un principio que desarrollos anteriores, como una batería hecha de materiales blandos, solo podían implementar parcialmente.

Estructura fabricada en polímero elástico y electrodos flexibles.

La estructura concreta del prototipo sigue un esquema de varias capas. Primero, los científicos aplican una pasta conductora sobre una superficie lisa. Esta pasta contiene nanocables de plata, partículas de carbono y los respectivos materiales catódicos o anódicos en una mezcla finamente dividida. Los nanocables de plata forman una red conductora de baja resistencia, mientras que el carbono estabiliza las superficies de contacto entre las partículas. Luego se aplica una capa de polidimetilsiloxano, una silicona blanda, que se adhiere estrechamente a la pasta y forma un laminado de electrodo elástico. Este compuesto sirve como capa colectora de corriente flexible que se estira sin que las partículas activas se separen inmediatamente unas de otras. A continuación se aplica directamente sobre este electrodo inferior la mezcla de reacción para el electrolito elástico, compuesta por sal de litio, un líquido conductor de iones y componentes polimerizables. La capa de electrolito similar al caucho se crea bajo luz ultravioleta.

Para crear una celda completa, la estructura se completa con un contraelectrodo de imagen especular. La batería estirable resultante consta exclusivamente de capas suaves y elásticas: dos laminados de electrodos flexibles y un electrolito elástico y gomoso en el medio. Una capa protectora evita el contacto directo con el aire ambiente y la humedad. Este diseño "totalmente elástico" difiere significativamente de las arquitecturas flexibles anteriores, en las que los componentes rígidos sólo se descargaban mecánicamente o se plegaban en estructuras similares a origami. Al mismo tiempo, la densidad de energía en las pruebas de laboratorio se mantiene en un nivel comparable al de las celdas de película delgada convencionales, incluso cuando la batería extensible se somete a tensiones de tracción. La integración específica de la polimerización en el electrodo (un tipo de estructura de electrodo transferida in situ) también reduce las resistencias de interfaz entre el electrolito y el electrodo, un problema típico en muchas baterías híbridas y de estado sólido.

Comparación de rendimiento, densidad energética y estabilidad del ciclo

Durante el funcionamiento, la batería extensible presenta propiedades que son cruciales para aplicaciones prácticas. En pruebas comparativas con una estructura celular por lo demás idéntica, pero que utiliza un electrolito líquido clásico, la variante con una capa de polímero elástico alcanzó una capacidad promedio aproximadamente seis veces mayor cuando se cargó rápidamente. Al mismo tiempo, la curva tensión-tiempo permanece significativamente más estable cuando la celda se carga y descarga repetidamente. En un prototipo con componentes totalmente extensibles, la capacidad se mantuvo prácticamente constante durante unos 67 ciclos de carga y descarga antes de disminuir notablemente. Otras variantes con electrodos optimizados pero con el mismo electrolito elástico duraron hasta 1.000 ciclos en la prueba, y la capacidad solo cayó alrededor del uno por ciento en los primeros 30 ciclos, mientras que un electrolito líquido mostró una pérdida de capacidad de alrededor del 16 por ciento en condiciones idénticas. Estos resultados indican que el electrolito gomoso no sólo es mecánicamente robusto sino también electroquímicamente estable.

• El propio electrolito gomoso alcanza en el laboratorio alargamientos de hasta aproximadamente el 5000 por ciento sin agrietarse.
• La batería extensible completa se puede estirar hasta aproximadamente el doble de su longitud y sigue siendo eléctricamente funcional.
• En carga rápida, la celda con electrolito elástico muestra aproximadamente seis veces la capacidad promedio de la celda de comparación con electrolito líquido.
• Las variantes con electrodos sólidos y electrolito elástico resisten pruebas de hasta 1000 ciclos de carga con una tasa de degradación muy baja.

A pesar de estos avances, es necesario enfatizar algunas limitaciones. Hasta ahora, la batería extensible ha logrado su rendimiento en condiciones de laboratorio con corrientes, temperaturas y cargas mecánicas definidas. La densidad de energía se sitúa más en el ámbito de los sensores pequeños y portátiles que en el segmento de las grandes baterías de tracción. Además, la capacidad de los prototipos altamente estirables disminuye visiblemente después de unas pocas docenas de ciclos, lo que sugiere cambios microestructurales en los electrodos y el electrolito. En comparación con conceptos que apuntan a una carga extremadamente rápida, una alta estabilidad del ciclo o una mejor reciclabilidad, como una batería de iones de litio optimizada para una carga rápida o nuevos procesos de reciclaje químico, la batería extensible se posiciona claramente como una solución especial para aplicaciones en las que la adaptabilidad mecánica es más importante que la máxima densidad de energía.

Perspectivas para sensores portátiles y tecnología médica

El nuevo enfoque es particularmente interesante para sensores portátiles, textiles inteligentes y robótica blanda. En muchos de estos escenarios, la batería se integra directamente en muñequeras, tejidos elásticos o sustratos blandos que envuelven articulaciones y músculos. Allí, los dispositivos de almacenamiento de energía deben resistir una combinación de flexión, torsión y tensión y, al mismo tiempo, alimentar continuamente registradores de datos, módulos de radio o sensores electroquímicos. Una batería extensible que se expanda y contraiga como una banda elástica podría simplificar significativamente la integración de dichos sistemas, ya que ya no se requieren módulos de batería rígidos y separados. En combinación con pistas conductoras estirables, conjuntos de sensores flexibles y materiales de encapsulación suaves, esto crea una electrónica totalmente conforme que sigue de cerca la piel o los textiles sin crear puntos de presión o puntos calientes mecánicos. Para los sensores portátiles en rehabilitación o deportes competitivos, las tensiones estables durante los movimientos de estiramiento serían cruciales para que los valores medidos no se vean distorsionados por problemas de contacto.

A largo plazo, los investigadores también piensan en sistemas implantables que se adhieran a órganos o vasos y funcionen allí durante largos períodos de tiempo. Además de la extensibilidad mecánica, lo que cuenta aquí son la biocompatibilidad, los electrolitos no inflamables y las interfaces estables. Los electrolitos de polímeros elásticos que no contienen disolventes orgánicos volátiles y que no gotean cuando se dañan podrían ofrecer beneficios de seguridad si se resuelven los problemas toxicológicos. Al mismo tiempo, sigue siendo importante la dirección de desarrollo clásica, en la que se investigan, entre otras cosas, nuevos electrolitos de estado sólido, tecnologías de reciclaje y sistemas químicos alternativos, desde celdas basadas en agua hasta baterías de aire, pasando por sistemas basados ​​en sodio o calcio, como se analiza en diversas contribuciones sobre nuevos tipos de almacenamiento de energía y materiales de baterías blandas. En este espectro, la batería extensible que ahora se presenta marca un importante paso intermedio hacia dispositivos de almacenamiento de energía que pueden adaptarse a su entorno en casi cualquier tamaño, forma y comportamiento mecánico.

Letras de energía ACS, electrolitos de polímero elástico integrados con electrodos transferidos por polimerización in situ hacia baterías estirables; doi:10.1021/acsenergylett.4c01254