Baterías de litio-azufre impresas por láser: Un gran avance en el almacenamiento de energía

Las baterías impresas por láser podrían convertirse en el nuevo estándar a medida que las de iones de litio y otras opciones vayan desapareciendo. En la última década ha aumentado el consumo de energía del ciudadano medio. Atrás quedaron los días en que los cables ataban a las personas a la energía. Hoy, la tecnología inalámbrica es la norma. Como tal, hay una gran dependencia de las baterías, pero éstas no pueden soportar la demanda. Esto es lo que hay que saber.

 Baterías de iones de litio: Puntos fuertes y limitaciones crecientes

Cuando se trata de baterías, las de iones de litio son la opción más utilizada. Estas unidades alimentan desde aparatos electrónicos personales hasta vehículos eléctricos y todo lo demás. Este tipo de batería ha ganado popularidad debido a su mayor densidad energética, eficiencia y vida útil. La vida útil actual estimada de una batería de iones de litio es de 300 a 500 ciclos de carga.

Retos de la tecnología de baterías de iones de litio

Aunque las baterías de iones de litio han mejorado mucho respecto a las primeras versiones, siguen teniendo algunos inconvenientes que limitan su eficacia. Por un lado, son muy sensibles a la temperatura, lo que significa que el desbordamiento térmico es un problema importante.

¿Qué es el embalamiento térmico en las baterías de iones de litio?

El desbordamiento térmico se produce cuando una batería de iones de litio se expone a un calor prolongado. Las altas temperaturas pueden hacer que sus componentes exploten, provocando daños y, en el peor de los casos, lesiones e incluso la muerte.

Las baterías de iones de litio también sufren un menor rendimiento a bajas temperaturas. Las pruebas han demostrado que pueden perder hasta 25% de su rendimiento cuando funcionan en ambientes fríos. Por ello, las baterías de iones de litio no son ideales para condiciones extremas.

Riesgos medioambientales de las baterías de iones de litio

Otro gran problema de las baterías de iones de litio son sus riesgos medioambientales. Actualmente, no hay forma de reciclarlas eficazmente. Por ello, siguen acumulándose en los vertederos. Lamentablemente, el litio puede ser nocivo si se ingiere o absorbe por el medio ambiente y luego se introduce en la cadena alimentaria.

Altos costes de fabricación y necesidad de recursos para las baterías de iones de litio

El coste de creación de las baterías de iones de litio es otro problema que sigue limitando su adopción. Estas baterías requieren una enorme cantidad de recursos. Su proceso de fabricación consume mucha energía.

Cuando se combinan estos factores con la imposibilidad de reciclar las unidades, es fácil ver por qué el uso de baterías de iones de litio es simplemente un punto de parada temporal para la industria.

Baterías de litio-azufre: Una alternativa prometedora a las de iones de litio

Reconociendo las limitaciones que las baterías de iones de litio aportan al mercado, los ingenieros han estado explorando otras opciones. Una de ellas, que sigue llamando la atención, son las baterías de litio-azufre. Estas baterías pueden superar a las alternativas de iones de litio y ofrecer ventajas adicionales, como un ciclo de vida más sostenible.

Retos de fabricación en la producción de baterías de litio-azufre

Las baterías de litio y azufre mejoran el rendimiento, pero su proceso de fabricación sigue siendo muy difícil y requiere mucha energía. Además, la preparación de los cátodos de azufre es un proceso complejo. Requiere que los ingenieros trabajen en temperaturas y condiciones variables.

La principal razón de los retrasos y complicaciones añadidos es que los procesos de fabricación de un cátodo/ánodo en una batería de litio-azufre suelen requerir la síntesis de materiales activos. Este paso puede incluir muchas tareas adicionales, como la preparación de una mezcla precisa de materiales, todo lo cual aumenta los costes generales.

Gran avance de la HKUST en baterías de litio-azufre impresas por láser

Ahora, un equipo de investigadores de la prestigiosa Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) ha presentado un diseño de batería de litio-azufre impresa con láser que simplifica considerablemente la fabricación de baterías de litio-azufre, abriendo la puerta a recursos energéticos de nueva generación.

El estudio¹ Cátodo de azufre integrado impreso por láser en un solo paso para baterías de litio-azufre de alto rendimientopublicado en Nature Communications, presenta un proceso de impresión láser de un solo paso capaz de fabricar cátodos de azufre integrados para baterías de litio-azufre.

El nuevo proceso integra la síntesis del huésped de azufre, la encapsulación de azufre y la fabricación de cátodos en un único método que aprovecha una impresora 3D y materiales avanzados. La técnica de impresión láser utiliza la conversión por inducción para combinar varios pasos en un proceso de nanosegundos que puede ampliarse para satisfacer futuras demandas.

Cómo la impresión láser simplifica la fabricación de baterías de litio-azufre

El proceso de batería de impresión láser comienza con el paso de conversión inducida por láser a escala de nanosegundos. Este paso incluye precursores diseñados para crear una capa compuesta distribuida uniformemente. Esta capa combina eficazmente azufre, materiales anfitriones y componentes conductores mediante un complejo proceso transitorio de calentamiento y enfriamiento.

El proceso térmico concentrado detrás de la impresión láser de pilas

Cuando el láser se activa, hace que el azufre se una a los materiales anfitriones generados y a los componentes conductores. Este paso produce partículas en chorro que entran en los nanotubos híbridos sintetizados in situ a base de halloysita.

 Papel de los nanotubos de carbono en las baterías impresas por láser

Los nanotubos híbridos sintetizados a base de halloysita funcionan porque, durante la radiación láser, el nitrato de manganeso del donante se descompone. Este proceso convierte la mezcla en nanopartículas de óxido de manganeso, que se distribuyen uniformemente en las paredes de los nanotubos de halloysita.

Los nuevos nanotubos homogéneos de halloysita dopados con óxido de manganeso (MnOx-Hal) actúan como soporte estructural del azufre y mejoran la infiltración del electrolito durante el funcionamiento de la batería. Además, los tubos de MnOx-Hal presentan una excelente resistencia al calor, lo que los convierte en la elección ideal para esta tarea.

Síntesis de materiales activos mediante impresión láser

El proceso de irradiación láser hace que los materiales precursores se descompongan y recombinen para formar nuevos materiales. A continuación, esta mezcla se aplica a un aceptor de tejido de carbono mediante una impresora 3D. En particular, el aceptor de tejido de carbono desempeña varias funciones. Por un lado, inicia las microexplosiones que facilitan el chorro y la transferencia de partículas de formación dentro del proceso.

Cómo los aceptores de tejido de carbono permiten imprimir baterías

El aceptor de tejido de carbono permite que las partículas activadas por láser sean expulsadas del donante mediante una microexplosión inducida por láser. Esta acción transfiere rápidamente el material al aceptor de tejido de carbono, formando un cátodo de azufre integrado.

 Pruebas con baterías de litio-azufre impresas por láser

Los ingenieros realizaron varias pruebas para confirmar el rendimiento y las capacidades de las baterías impresas por láser. El primer paso fue construir un sistema automático de impresión láser. El sistema consta de una avanzada máquina de trazado láser, un sistema de desplazamiento del brazo robótico y un software para guiar el proceso de impresión láser automática.

En concreto, los ingenieros fijaron la velocidad de impresión en un máximo de 2 cm2/minuto utilizando un láser de un solo haz. Observaron que con este proceso se puede imprimir un cátodo de azufre de 75 × 45 mm2 en 20 minutos. Teniendo en cuenta que los métodos anteriores llevaban días, este paso marcó un hito importante.

A partir de ahí, los ingenieros combinaron las células de sulfuro de litio dentro de una bolsa y las unieron a una pantalla LCD. La bolsa alimentó con éxito un LCD durante varias horas mientras los ingenieros realizaban pruebas adicionales mediante análisis de microscopía electrónica de transmisión (MET) para controlar las muestras de nanotubos separadas.

Resultados de las pruebas con cátodos de azufre impresos por láser

Los cátodos de azufre impresos con láser demostraron un alto rendimiento en comparación con sus homólogos de iones de litio. En particular, los dispositivos podían funcionar tanto con monedas como con punzones. Además, mostraron una esperanza de vida superior.

 Resultados de las pruebas de ciclado de las baterías impresas por láser

El equipo realizó una carga-descarga de 1000 ciclos a 1C. Las pruebas revelaron que el cátodo se mantuvo en condiciones superiores. Además, las unidades mostraron una alta capacidad reversible y una baja atenuación de la capacidad durante las fases experimentales.

Los ingenieros determinaron que era posible fabricar cátodos de azufre de forma escalable y eficiente utilizando la impresión láser asistida por el sistema de desplazamiento automático. Este sistema fue capaz de aplicar con éxito la mezcla a base de azufre sobre el tejido de carbono con unos costes y un tiempo mínimos.

Ventajas de las baterías de litio-azufre impresas por láser

Son muchas las ventajas que este estudio aporta a la industria. Por un lado, el proceso de batería de impresión láser es fácil de integrar. La impresión 3D es vista por muchos como un proceso "drop-on-demand" que puede introducirse en diversas acciones de fabricación sin necesidad de reconfigurar todo el protocolo.

Cómo la impresión láser acelera la fabricación de baterías

El proceso de fabricación de baterías mediante impresión láser en 3D adopta múltiples pasos y los combina en una tarea de nanosegundos. Esta capacidad permite al fabricante ahorrar dinero y tiempo. Además, significa que sus instalaciones pueden producir más baterías con menos energía y esfuerzo.

 Por qué las baterías de litio-azufre impresas con láser funcionan mejor

Se necesitan baterías mejores para crear los smartphones, tabletas, relojes y otros aparatos electrónicos de gama alta del año que viene. Este estudio demuestra cómo las baterías de litio-azufre pueden superar a la competencia tanto en rendimiento como en producción.

 Ventajas de seguridad de las baterías de litio-azufre frente a las de iones de litio

Las baterías de iones de litio siguen incendiándose debido a la sobrecarga térmica. En particular, las baterías de litio-azufre siguen mostrando un rendimiento degradado cuando se sobrecalientan, pero no plantean el mismo nivel de riesgo de explosión o incendio, lo que las convierte en una alternativa más segura.

Limitaciones de la tecnología de baterías de litio-azufre impresas por láser

Los cátodos impresos por láser presentan algunos inconvenientes. Por un lado, el proceso de fabricación requiere mucha precisión. Como la irradiación láser sólo genera procesos térmicos breves y concentrados, la ventana de error es minúscula.

Los ingenieros también señalaron que el proceso de irradiación térmica puede basarse en materiales anfitriones fabricados que constan de estructuras cristalinas complejas. Registraron que las estructuras cristalinas son contraproducentes para el rendimiento de estas unidades.

Además, las baterías de litio-azufre presentan algunos problemas de desbordamiento térmico. Aunque estos problemas son mucho menores que las explosiones de las baterías de iones de litio que siguen dominando los titulares, siguen disminuyendo la capacidad total del cátodo.

Aplicaciones reales y calendario de las baterías impresas por láser

Las baterías de litio-azufre impresas con láser tienen muchas aplicaciones en el mundo real. Estos dispositivos podrían utilizarse para alimentar todo tipo de dispositivos, desde el teléfono móvil hasta el coche. Todo lo que hoy en día lleva pilas puede ser mejorado algún día con azufre de litio.

¿Cuándo llegarán al mercado las baterías de litio-azufre impresas por láser?

La carrera por crear baterías más eficaces ha llevado a los fabricantes a ser creativos. Este último avance contará con un fuerte apoyo de los fabricantes, que intentarán introducir este nuevo diseño en el mercado. Si todo va bien, es razonable prever que esta tecnología llegue al mercado en los próximos 5 años.

Investigadores de la HKUST, artífices del avance de las baterías impresas por láser

El Dr. YANG Rongliang, miembro de la División de Sistemas Integrativos y Diseño de la HKUST, dirigió la investigación sobre las baterías impresas por láser. Además, el profesor LI Guijun figura como coautor del estudio junto a un equipo de ingenieros de diversas instituciones educativas. Cabe destacar que el estudio recibió apoyo financiero de la Comisión de Tecnología de la Innovación de Hong Kong.

 Perspectivas futuras de las baterías de litio-azufre impresas por láser

El futuro de las baterías impresas por láser parece prometedor. Los ingenieros pretenden mejorar y ampliar sus procesos para satisfacer la importante demanda industrial de estos dispositivos. Como parte de este planteamiento, el equipo establecerá alianzas estratégicas para abaratar los costes de fabricación y ayudar a sacar su producto al mercado.

Invertir en tecnologías de baterías de última generación

El sector de las pilas es una industria competitiva en la que siguen apareciendo enfoques innovadores para las necesidades energéticas del mundo. Varias empresas trabajan en la creación y producción de tecnología de baterías de la nueva era. He aquí una empresa que está en una posición ideal para aprovechar los datos de este estudio para mejorar los resultados de sus productos.

Enovix

Enovix (ENVX +5.45%) entró en el mercado en 2007 y tiene su sede en California. Este avanzado fabricante de baterías entró en el mercado para impulsar la tecnología de las baterías de iones de litio hasta nuevas cotas.

Muchos consideran a Enovix una fuerza innovadora en el mercado por su trabajo con cátodos de silicio. La empresa ha conseguido duplicar la capacidad de las baterías de iones de litio sustituyendo el grafeno por silicio en sus diseños.

En la actualidad, Enovix cuenta con múltiples instalaciones de fabricación repartidas por todo el mundo, incluidas fábricas en Malasia, Manila y California. Estos factores, más la creciente demanda de actualizaciones de iones de litio, sitúan a Enovix en una posición privilegiada para el crecimiento. Quienes busquen un fabricante de baterías con mentalidad innovadora deberían investigar más sobre Enovix.

Lo último sobre Enovix

Las baterías impresas por láser podrían revolucionar el almacenamiento de energía

Las baterías impresas por láser cambian las reglas del juego y ayudan a reducir costes y aumentar el rendimiento. A medida que el mundo se hace más inalámbrico, la necesidad de mejores baterías aumentará. Este estudio podría allanar el camino a futuras innovaciones y contribuir a crear un futuro más sostenible.

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Estudios referenciados:

^{1. Yang, R., Chen, Y., Pan, Y., Kim, M., Liu, H., Lee, C. K. W., Huang, Y., Tang, A., Tu, F., Li, T., & Li, M. G. (2025). Cátodo de azufre integrado impreso por láser en un solo paso para baterías de litio-azufre de alto rendimiento. Nature Communications, 16, artículo 2386. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57755-0}