3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks

Imagina un mundo donde las paredes de tu hogar, los pilares de un puente o el pavimento de una calle pudieran hacer más que solo soportar peso. También podrían almacenar electricidad, actuando como baterías gigantes y silenciosas que alimentan luces, sensores o incluso el propio edificio. Esta idea, conocida como almacenamiento de energía estructural, ha sido durante mucho tiempo un sueño para los ingenieros. El desafío siempre ha sido encontrar un material que sea lo suficientemente fuerte para construir, pero también capaz de retener una carga como una batería. El hormigón y el cemento son los materiales de construcción más comunes en la Tierra; son baratos, resistentes al fuego e increíblemente duraderos. Sin embargo, son naturalmente malos para conducir la electricidad, lo cual es esencial para que una batería funcione. Las baterías tradicionales dependen de mezclas químicas delicadas mantenidas unidas por aglutinantes plásticos, que son demasiado frágiles para servir como vigas estructurales. Durante años, los científicos han intentado convertir el cemento en una batería, pero los resultados solían ser débiles, almacenando muy poca energía o fallando después de solo unos pocos usos. El objetivo ha sido crear un material que sea tanto un bloque de construcción sólido como un dispositivo de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

Un equipo de investigadores ha dado ahora un paso significativo hacia esta realidad mediante la impresión 3D exitosa de una batería hecha de cemento. En lugar de intentar forzar un diseño de batería estándar dentro del hormigón, desarrollaron un nuevo método que utiliza el proceso natural de endurecimiento del cemento para construir la estructura interna de la batería. Crearon una tinta especial hecha de agua, cemento y dos tipos de materiales de batería: uno que almacena la carga positiva y otro que almacena la carga negativa. También añadieron una red de diminutas partículas de carbono para ayudar a que la electricidad se mueva a través de la mezcla. Cuando esta tinta es exprimida de una impresora 3D, forma una forma continua. A medida que el cemento se seca y endurece, experimenta una reacción química llamada hidratación, que crea un esqueleto mineral que lo mantiene todo unido. Este esqueleto proporciona la resistencia, mientras que la red de carbono asegura que la electricidad pueda fluir libremente. El resultado es un objeto sólido impreso que parece y se siente como una pieza de material de construcción, pero funciona como una batería de iones de litio recargable.

Los investigadores probaron este nuevo material imprimiendo tanto los lados positivo como el negativo de una batería y luego conectándolos para formar una celda completa. Descubrieron que la batería funcionaba notablemente bien. Cuando se probó a una velocidad de carga lenta, el lado positivo podía almacenar 157.5 unidades de energía por gramo, y el lado negativo podía almacenar 172.3 unidades. Estos números son comparables a muchas baterías comerciales estándar, demostrando que el cemento no arruinó la actividad química de los materiales de la batería. Más importante aún, la batería demostró ser increíblemente resistente. Después de ser cargada y descargada diez mil veces, la batería completa aún conservaba el 98.5 por ciento de su capacidad de energía original. Este nivel de durabilidad es raro para las baterías, especialmente aquellas hechas de un material tan rugoso y poroso. El estudio mostró que el armazón de cemento en realidad ayudó a proteger los materiales de la batería, manteniéndolos estables incluso mientras se expandían y contraían durante su uso.

Más allá de solo retener una carga, el material demostró la seguridad y versatilidad necesarias para la construcción en el mundo real. A diferencia de las baterías tradicionales que utilizan químicos líquidos inflamables y partes plásticas, esta batería a base de cemento está hecha de minerales no inflamables. En una prueba directa, los investigadores acercaron una llama a la batería impresa durante diez minutos. El objeto mantuvo su forma, no se derritió y no se prendió fuego, mostrando un nivel de resistencia al calor que las baterías basadas en plástico no pueden igualar. El proceso de impresión 3D también permitió a los investigadores crear formas complejas y capas gruesas sin que la batería fallara. Imprimieron electrodos con diferentes espesores, y la electricidad fluyó tan bien a través de las capas gruesas como a través de las delgadas. Esto sugiere que estas baterías podrían imprimirse en formas grandes y personalizadas para ajustarse exactamente a donde se necesiten en un edificio, en lugar de ser forzadas en cajas rectangulares estándar.

El estudio también abordó por qué este enfoque funciona donde otros han tenido dificultades. Los intentos previos de fabricar baterías de cemento a menudo fallaban porque el cemento bloqueaba el movimiento de la electricidad o descomponía los delicados químicos de la batería. Los investigadores descubrieron que, al equilibrar cuidadosamente la mezcla de cemento, materiales de batería y carbono, podían crear una red donde el cemento proporcionaba la fuerza y el carbono proporcionaba la autopista eléctrica. Compararon su tinta a base de cemento con otras mezclas que utilizaban diferentes aglutinantes, como el óxido de aluminio o el dióxido de silicio, y encontraron que la versión de cemento era la que mejor funcionaba. El cemento no solo mantuvo la estructura unida, sino que también pareció mejorar el flujo de iones, las diminutas partículas cargadas que transportan la energía dentro de la batería. Esta combinación única de propiedades significa que el material no es solo un contenedor pasivo de energía, sino una parte activa e integrada del sistema de energía.

Este trabajo sugiere un nuevo camino para el futuro de la construcción. Va más allá de la idea de simplemente incrustar una batería estándar dentro de una pared y, en su lugar, propone que la pared misma pueda ser la batería. La capacidad de imprimir en 3D estas estructuras significa que los arquitectos e ingenieros podrían diseñar edificios con almacenamiento de energía integrado, personalizados para la forma y las necesidades específicas de la estructura. Los materiales utilizados son económicos y ampliamente disponibles, y el proceso es escalable, lo que significa que podría usarse para fabricar grandes cantidades de estos componentes de almacenamiento de energía. Aunque la tecnología todavía se encuentra en fase de investigación, los resultados muestran que es posible fusionar los mundos de la construcción y el almacenamiento de energía sin sacrificar la seguridad, la resistencia o el rendimiento. La batería a base de cemento es una prueba de concepto de que los materiales que usamos para construir nuestro mundo también pueden alimentarlo.