Estirar se encuentra con la sostenibilidad en el avance de la batería fluida

El mundo de la tecnología de baterías sigue expandiéndose a un ritmo acelerado. Los avances en la tecnología han llevado a una reducción de costos y adopción de vehículos eléctricos (VE), desempeñando un papel clave en la transición energética limpia global.

Las baterías también son un componente crítico de la electrónica de consumo como teléfonos inteligentes, portátiles y dispositivos wearables. Sin embargo, para construir wearables de próxima generación que tengan conformabilidad mecánica con el usuario humano y capacidad operativa a largo plazo, necesitamos baterías estirables de alta capacidad.

Estos wearables de próxima generación no son como los actuales rastreadores de fitness, relojes inteligentes, audífonos o dispositivos de ayuda auditiva. Son diferentes a estos contrapartes comerciales y necesitan cumplimiento mecánico con nuestro cuerpo que va mucho más allá de la simple suavidad, estirabilidad y flexibilidad.

Si bien se han realizado avances en varios componentes como transistores, antenas, sensores y pistas conductoras para mejorar sus propiedades electromecánicas, todavía están alimentados por las mismas baterías voluminosas y rígidas.

Estas baterías limitan el factor de forma y el cumplimiento mecánico de los wearables futuros. Para que estos wearables puedan realizar funciones como monitoreo de sensores a largo plazo, transmisión de datos inalámbrica, y registro de datos, junto con operación autónoma, es necesario un batería estirable integrada.

Con los wearables pronosticados a crecer significativamente, es importante que desarrollamos baterías estirables para ayudar a revolucionar tecnologías para entretenimiento, comunicación, monitoreo de alimentos, atención médica y medio ambiente.

Según Aiman Rahmanudin, profesor asistente en la Universidad de Linköping:

“Las baterías son el componente más grande de toda la electrónica. Hoy en día, son sólidas y bastante voluminosas. Pero con una batería suave y conformable, no hay limitaciones de diseño. Puede integrarse en la electrónica de una manera completamente diferente y adaptarse al usuario.”

Baterías estirables son clave para wearables futuros

Si bien existen diseños de baterías estirables hoy en día, enfrentan varias limitaciones para aumentar la capacidad. Esto se debe a que para obtener una mayor capacidad, el material activo debe aumentarse, lo que resulta en electrodos más gruesos y rígidos con mala estirabilidad y cumplimiento mecánico.

Estas baterías utilizan los mismos diseños de electrodos que las baterías rígidas convencionales tienen, que dependen del acoplamiento mecánico de las especies redox-activas y el relleno conductor.

Ahora, para que un electrodo acoplado mantenga la integridad mecánica dentro de la matriz sólida, se necesita un aglutinante para mantener los componentes unidos. Esto asegura un buen contacto electrónico entre los componentes, permitiendo el acceso al material activo para una carga y descarga eficientes. Sin embargo, cualquier pérdida de este contacto debido al estrés mecánico conduce a un declive en el rendimiento de la batería.

El aglutinante puede reemplazarse con un elastómero para la estirabilidad, pero una mayor carga de material activo requiere aglutinantes aislantes y más rellenos conductores.

Las capas resultantes más gruesas serán más susceptibles a una mayor deformación y tensión, lo que afecta negativamente el cumplimiento mecánico. Los electrodos más gruesos también enfrentan inestabilidad mecánica, mayor resistencia eléctrica y transporte de electrones e iones lentos, lo que resulta en una menor capacidad volumétrica efectiva.

Así que, para diseñar una batería estirable, debemos adoptar un enfoque holístico que considere todos los componentes, desde electrodos activos, separador y colector de corriente hasta encapsulación.

Hay dos formas de facilitar la estirabilidad: una es la ingeniería estructural que separa los componentes rígidos de la tensión principal en el sistema, y la otra es diseñar materiales estirables combinando rellenos activos rígidos con un elastómero (un material polimérico con alta elasticidad) para crear geles, estructuras porosas y compuestos. A pesar de los avances, no abordan el problema fundamental del compromiso entre la capacidad de la batería y las propiedades mecánicas.

Pero, ¿qué pasa si estas baterías utilizan lo que es intrínsecamente “estirable”?

Una batería fluida que puede tomar cualquier forma

Los fluidos son altamente deformables. No tienen forma fija y ceden fácilmente a la presión externa. En términos simples, una batería fluida debería poder tomar cualquier forma.

Así que, inspirados en este comportamiento básico de los fluidos, los investigadores de la Universidad de Linköping han presentado un concepto para cambiar la propiedad física de un electrodo de batería de un estado sólido a un estado fluido.

Al hacerlo, se obtiene un diseño de electrodo que depende de la viscosidad de un fluido. Esto desacopla la función electroquímica y eléctrica de un electrodo de su propiedad mecánica, lo que da como resultado un electrofluido redox-activo que permite el transporte de iones y electrones para almacenar energía mientras se mejora la capacidad y la deformabilidad.

Esto no será la primera vez que se exploren fluidos para baterías; de hecho, se utilizan ampliamente en sistemas de almacenamiento de energía electroquímica. El problema es que estos sistemas están diseñados para baterías estacionarias a gran escala que utilizan grandes tanques de almacenamiento y bombas para hacer fluir los fluidos anódicos y catódicos de manera reversible a través de un colector de corriente.

Sin embargo, cuando se trata de dispositivos portátiles y inalámbricos, hay factores de diseño clave como tamaño, peso, estirabilidad y cumplimiento mecánico que deben considerarse en las baterías estirables. En ese sentido, pocos han explorado fluidos como el galio y el EGaIn. Pero estos metales sólidos vienen con sus propios problemas.

Por ejemplo, el galio solo se puede utilizar como material anódico; tiene una superficie hidrofóbica, y hay un riesgo de que se convierta en un sólido durante la descarga, lo que puede resultar en una pérdida de fluido.

Muchos intentos de baterías estirables también han utilizado materiales raros, pero tienen un proceso de minería y extracción energéticamente intensivo, lo que también tiene un impacto ambiental significativo.

Esto hace que sea importante que los diseños de baterías estirables futuros puedan abordar las consideraciones electroquímicas, mecánicas y de sostenibilidad simultáneamente.

Así que los investigadores de la Universidad de Linköpingpublicaron un estudio en Science Advances¹ que detalla el desarrollo de una batería que puede tomar cualquier forma, gracias a utilizar electrodos en un estado fluido. Esta batería conformable está hecha de polímeros conjugados y biopolímeros y muestra el potencial de ser integrada en wearables futuros de una manera completamente nueva.

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Electrodos fluidos para capacidad máxima

El estudio presentó un diseño de batería flexible que se basa en electrodos catódicos y anódicos redox-activos electrofluidos que son intrínsecamente deformables, que se incorporan en una célula completa mediante un colector de corriente estirable personalizado y una membrana separadora.

Entre sus innovaciones clave se encuentran la carga de masa de los fluidos y la capacidad de la batería resultante, que no influye en la rigidez axial de la célula, lo que el equipo llamó una “característica importante que aún no ha sido demostrada por los diseños de baterías estirables existentes”. También utilizaron un par redox sostenible como materiales activos en los fluidos.

Interesantemente, el fluido tiene una consistencia similar a la pasta de dientes y se extruye de una jeringa. Según Rahmanudin, uno de los autores del estudio:

“La textura es un poco como la pasta de dientes. El material puede, por ejemplo, usarse en una impresora 3D para dar forma a la batería como se desee. Esto abre un nuevo tipo de tecnología.”

Esta batería suave y maleable supera el problema de los intentos anteriores de fabricarbaterías estirables que se han basado en diferentes tipos de funciones mecánicas. Mientras que esos intentos utilizaron materiales que pueden estirarse o conexiones que se deslizan entre sí, no abordaron realmente el problema principal. Como se mencionó anteriormente, tener más material activo, como una batería grande tiene una mayor capacidad, conduce a electrodos más gruesos y, a su vez, mayor rigidez.

“Aquí, hemos resuelto ese problema, y somos los primeros en demostrar que la capacidad es independiente de la rigidez.”

– Rahmanudin

Ahora, para superar el problema de la sostenibilidad de los materiales, los investigadores del Laboratorio de Electrónica Orgánica (LOE) basaron su batería suave en plásticos conductores y lignina.

La lignina es un biopolímero que se encuentra en abundancia en la Tierra. Este polímero orgánico se encuentra en las paredes celulares de las plantas, particularmente en la madera y la corteza. Es usualmente un subproducto de la industria de la pulpa y la biorrefinería de etanol. De los 100 millones de toneladas de lignina extraídos anualmente, menos del 5% se considera un producto de valor agregado, y el resto se descarta o se quema para obtener energía.

Al utilizar lignina modificada como material activo catódico, el estudio repurposa efectivamente un subproducto en un material de batería.

“Dado que los materiales en la batería son polímeros conjugados y lignina, las materias primas son abundantes. Al repurposar un subproducto como la lignina en un producto de alto valor como un material de batería, contribuimos a un modelo más circular. Así que es una alternativa sostenible.”

– Coautor principal Mohsen Mohammadi, quien es un becario postdoctoral en LOE

En cuanto al rendimiento de la batería, puede recargarse y descargarse más de 500 veces mientras mantiene su rendimiento. Además, tiene una robustez mecánica de hasta el 100% de deformación, lo que significa que puede estirarse hasta el doble de su longitud y seguir funcionando perfectamente.

En los próximos pasos, el equipo trabajará para aumentar la tensión eléctrica en la batería y tratar de superar algunas de sus limitaciones actuales.

“La batería no es perfecta. Hemos demostrado que el concepto funciona, pero el rendimiento necesita mejorar. La tensión es actualmente de 0,9 voltios. Así que ahora buscaremos utilizar otros compuestos químicos para aumentar la tensión. Una opción que estamos explorando es el uso del zinc o el manganeso, dos metales comunes en la corteza terrestre.”

– Rahmanudin

Compañía innovadora

Amprius Technologies (AMPX )

En el espacio de la tecnología wearable, gigantes como Apple (AAPL) con su Apple Watch y AirPods, y Google (GOOG) a través de Fitbit, están liderando el mercado. Garmin Ltd. (GRMN) es otro nombre destacado en el sector que construye wearables inteligentes para fitness, salud y navegación.

Pero hoy, nos centraremos en una compañía involucrada en la tecnología de baterías. Mientras que esta investigación en particular se centró en baterías fluidas, esa tecnología todavía está en su mayoría en la fase de investigación. Así que cubriremos a un jugador que está avanzando en la tecnología de baterías en general. Y nuestro enfoque hoy es Amprius Technologies, que fabrica baterías de iones de litio.

La compañía se centra en la comercialización de baterías de ánodo de silicio que permiten una mayor densidad de energía y potencia con hasta 450 Wh/kg, carga del 0% al 80% en tan solo seis minutos, rendimiento confiable en temperaturas extremas de -30°C a 55°C, y manteniendo el rendimiento a través de 1.300 ciclos de carga completa.

En particular, Amprius opera a través de dos plataformas de productos comercialmente disponibles, SiMaxx y SiCore. Los productos de la compañía se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo drones, defensa, bicicletas eléctricas, vehículos eléctricos, inteligencia artificial y robótica.

La compañía tiene una capitalización de mercado de $264,15 millones mientras que sus acciones se negocian a $2,24, bajando un 19,64% en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -0,44, y el P/E (TTM) es -5,08. Amprius no paga dividendos.

En cuanto a los resultados financieros de la compañía, Amprius terminó 2024 con $55,2 millones en efectivo y equivalentes de efectivo y sin deuda.

“Seguimos siendo ágiles con una tasa de gasto mensual de $2,5 millones a $3 millones, excluyendo costos relacionados con transacciones.”

– CFO Sandra Wallach

Los ingresos en todo el último año se informaron como $24,2 millones, un aumento masivo del 167% con respecto al año anterior. En cuanto a la rentabilidad, la margen bruta fue negativa del 76% en comparación con negativa del 162% en 2023, una mejora directamente relacionada con el lanzamiento de la línea de productos SiCore.

Los gastos operativos para el año completo fueron $27,9 millones, aumentando desde $24 millones en 2023, mientras que la pérdida neta fue de $44,7 millones. La compensación basada en acciones durante este período fue de $7,3 millones, un gran salto desde $3,9 millones en 2023, principalmente debido a cambios en la Junta Directiva y la concesión no recurrente de acciones totalmente vestidas por Amprius.

En 2024, la compañía envió a un total de 235 clientes, que incluye tanto nuevos clientes como pedidos de volumen repetidos de socios a largo plazo como Teledyne FLIR, Airbus, Kraus Hamdani, AeroVironment y BAE Systems. El año pasado, también completó el desarrollo y la calificación de celdas seguras SiMaxx para el paquete de batería wearable de próxima generación del Ejército de EE.UU.

Después del ‘productivo’ año pasado, el CEO Kang Sun compartió que está “cada vez más optimista” para este año, esperando “entregar nuevas baterías de alto rendimiento, participar en nuevos segmentos de mercado, involucrarse con más clientes, debido a asociaciones de fabricación adicionales, y llevar nuestro negocio a otro nivel. Creemos que la oportunidad que tenemos ante nosotros es tremenda”. Ya ha hecho un gran comienzo en 2025.

En enero, Amprius presentó una celda de batería con una densidad de energía de 370 Wh/kg y hasta 3.500 W/kg de potencia mientras apoya tasas de descarga rápidas para garantizar una entrega de energía rápida sin comprometer el tiempo de funcionamiento. La nueva celda SiCore se lanzó como parte de la expansión de la plataforma de productos SiCore con el objetivo de revolucionar la movilidad eléctrica de alto rendimiento que requiere tanto resistencia como entrega de energía rápida.

Hablando de este “importante avance técnico”, el CTO Dr. Ionel Stefan señaló que “al optimizar la composición del ánodo de silicio sin comprometer las otras métricas de rendimiento de la celda, hemos redefinido el compromiso entre potencia y energía. Esta celda no se trata solo de rendimiento, sino de crear nuevas posibilidades de energía para aplicaciones de alta demanda”.

Luego, en febrero, Amprius aseguró un pedido de compra de $15 millones de un importante fabricante de sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS) para producir sus celdas SiCore que se espera se envíen en la segunda mitad de 2025.

“Anticipamos continuar con el impulso con pedidos adicionales de alto valor en el futuro.”

– Sun

Amprius también anunció que había enviado su celda SiCore de 6,3 Ah 21700, que entrega más del 25% de capacidad que una celda estándar de 5,0 Ah 21700, a una organización de Fortune 500 en el segmento de vehículos eléctricos ligeros (LEV) para su evaluación. La comercialización de esta celda está programada para este año.

Conclusión

Con un trillón de dispositivos, que van desde teléfonos inteligentes, relojes inteligentes y dispositivos wearables médicos hasta robots suaves y más, esperados para estar conectados a Internet en la próxima década, es crucial que las baterías estirables se vuelvan una realidad sin sacrificar capacidad, mientras aún proporcionan suficiente energía eléctrica y mantienen un enfoque en la sostenibilidad.

La nueva clase de baterías fluidas presentada por los investigadores tiene como objetivo empujar los límites del diseño, haciendo posible la tecnología wearable de próxima generación y más eficiente.

Al desacoplar la capacidad de la rigidez y utilizar materiales naturales y abundantes como la lignina, esta innovación ofrece una fuente de energía sostenible, flexible y de alto rendimiento adaptada para los dispositivos de mañana. A medida que la tecnología mejora, esta batería suave podría ayudar a impulsar la próxima ola tecnológica.

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Estudios referenciados:

1. ​Mohammadi, M., Mardi, S., Phopase, J., Wentz, F., Samuel, J. J., Ail, U., Berggren, M., Crispin, R., Tybrandt, K., & Rahmanudin, A. (2025). Make it flow from solid to liquid: Redox-active electrofluids for intrinsically stretchable batteries. Science Advances, 11(15), eadr9010. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9010