Las membranas de intercambio iónico son materiales poliméricos que se utilizan como electrolitos sólidos en aplicaciones de electrólisis y electroquímicas. La capacidad de los materiales de membrana de intercambio iónico para conducir iones de forma selectiva hace que se utilicen habitualmente en aplicaciones de tratamiento de agua y procesamiento químico.

El informe de investigación de IDTechEx, «Membranas de intercambio iónico 2025-2035: Tecnologías, mercados y previsiones», revela que la demanda de membranas de intercambio iónico por superficie superará los 5,3 millones de m2 anuales en 2035, impulsada por su creciente adopción en los mercados del hidrógeno verde y las baterías de flujo redox.

A pesar de contar con aplicaciones maduras en el mercado, los requisitos de los materiales de las membranas de intercambio iónico están evolucionando. Las últimas tendencias en el diseño de materiales para membranas están muy influenciadas por los requisitos de rendimiento de las emergentes pilas de combustible de hidrógeno, los electrolizadores de agua y los sistemas de baterías de flujo redox, en los que se utilizan cada vez más las membranas.

Las métricas de rendimiento clave que influyen en el diseño de los materiales de membranas de intercambio iónico incluyen la conductividad, la durabilidad mecánica y química y el espesor de la membrana. La reducción de la resistencia superficial de las membranas de intercambio iónico aumenta su conductividad iónica y, en última instancia, mejora la eficiencia energética eléctrica de los sistemas integrados. La reducción del espesor de la película de la membrana también puede mejorar la conductividad y minimizar el tamaño total del conjunto de electrodos de la membrana, lo cual es importante para aumentar la densidad y la potencia de las celdas en aplicaciones como las pilas de combustible de hidrógeno para el transporte. Mejorar la resistencia mecánica y la estabilidad química de los materiales de las membranas será fundamental para permitir diseños de membranas ultrafinas, al tiempo que se reduce la degradación del rendimiento y se prolonga la vida útil.

Los principales fabricantes de membranas de intercambio iónico se están centrando en las membranas reforzadas

Las membranas reforzadas están surgiendo como la próxima generación de materiales para membranas de intercambio iónico y representan una oportunidad para las soluciones de polímeros especiales. Las membranas reforzadas contienen un ionómero en una estructura de material compuesto. Algunos ejemplos son las mallas de polímero tejidas o las películas multicapa, con politetrafluoroetileno (PTFE), polieteretercetona (PEEK) y tereftalato de polietileno (PET) como materiales compuestos habituales. Las membranas de intercambio iónico reforzadas presentan bajos índices de hinchamiento (alta estabilidad dimensional), una excelente estabilidad química y mecánica, y permiten la producción de películas ultrafinas.

Membranas de intercambio iónico reforzadas con malla tejida y multicapa. Fuente: IDTechEx

Las membranas compuestas de malla tejida muestran una mayor resistencia a la tracción y reducen el hinchamiento de la membrana durante el funcionamiento. Tanto las membranas de ácido perfluorosulfónico (PFSA), como Nafion, como las membranas de hidrocarburos pueden recubrirse sobre tejidos (por ejemplo, PEEK o PTFE) para producir membranas compuestas reforzadas. Chemours ha desarrollado una membrana compuesta tejida Nafion que muestra una mayor estabilidad dimensional con una expansión plana casi nula y una mayor resistencia a la tracción.

El refuerzo multicapa puede mejorar tanto la estabilidad mecánica como la química de las membranas de intercambio iónico. Las membranas de intercambio iónico pueden reforzarse recubriendo secuencialmente capas de un material polimérico químicamente inerte (por ejemplo, PTFE expandido) sobre la película de ionómero. El refuerzo multicapa de las membranas de intercambio de protones PFSA permite alcanzar resistencias a la tracción de más de 100 MPa, al tiempo que duplica la resistencia biaxial en comparación con las alternativas no reforzadas. La alta estabilidad mecánica es muy deseable para las aplicaciones de electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEMEL), en las que la membrana debe soportar una alta presión de hidrógeno de hasta 50 bar.

Fabricantes como Gore y AGC ofrecen actualmente productos de membrana reforzada, mientras que un número cada vez mayor de grandes empresas y start-ups se consolidan en diseños de materiales reforzados. A partir de 2025, Chemours, que tradicionalmente no ha utilizado refuerzos para aplicaciones de hidrógeno verde, también está explorando nuevas membranas reforzadas para complementar sus compuestos tejidos que se comercializan para aplicaciones de cloro-álcali y electrólisis.

El refuerzo está permitiendo diseños de membranas de intercambio iónico ultrafinas

Aunque las membranas reforzadas adolecen de una mayor resistencia superficial, esto puede compensarse con la producción de películas de membrana ultrafinas. Las membranas compuestas de cuatro capas muestran un aumento de hasta el 300 % en la resistencia específica de la superficie en comparación con sus homólogas no reforzadas. Sin embargo, la mayor estabilidad mecánica que proporciona el refuerzo permite reducir el espesor de la lámina de membrana hasta 5-10 um, lo que aumenta la conductividad a través del plano.

La producción de membranas ultrafinas también reduce el espesor de los conjuntos de electrodos de membrana, lo que permite integrar más celdas en aplicaciones de pilas de combustible y electrolizadores. Las membranas de película ultrafina tienen el mayor impacto potencial en aplicaciones de pilas de combustible de hidrógeno, donde la alta densidad de potencia es un requisito clave en aplicaciones de movilidad y transporte.

Las preocupaciones sobre los PFAS siguen impulsando el desarrollo de membranas de intercambio iónico de hidrocarburos

La innovación en membranas de intercambio iónico no se limita a las membranas ultrafinas y los diseños compuestos, ya que el auge de los materiales para membranas sin PFAS representa una tendencia clave en 2025.

Si bien las membranas perfluoradas representan el 85 % de la demanda mundial anual en 2025, la amenaza de las restricciones a los PFAS está impulsando el desarrollo de materiales alternativos para membranas de intercambio iónico de hidrocarburos. Los materiales para membranas de intercambio iónico sin PFAS se componen comúnmente de poliaromáticos como el polibenzimidazol (PBI) o la polieteretercetona sulfonada (SPEEK). Las nuevas tendencias de diseño se centran en el soporte de membranas de hidrocarburos sobre una malla tejida de PEEK para ofrecer bajos índices de hinchamiento y permitir espesores de lámina de tan solo 20 um. IDTechEx prevé que la creciente adopción en aplicaciones de hidrógeno verde, en particular en electrolizadores de membrana de intercambio aniónico (AEMEL), impulsará el crecimiento del mercado de membranas de intercambio iónico de hidrocarburos a una tasa compuesta anual del 22,7 % hasta 2035.

Perspectivas para las membranas de intercambio iónico

Los materiales de las membranas de intercambio iónico requerirán soluciones poliméricas cada vez más especializadas para satisfacer las necesidades de rendimiento de las principales aplicaciones emergentes de hidrógeno verde y almacenamiento de energía. Las innovaciones en los materiales de refuerzo de las membranas son muy prometedoras para mejorar la estabilidad mecánica y química, al tiempo que se mantiene una alta conductividad iónica y un espesor de película reducido.

Los principales actores del mercado del intercambio iónico aún no se han puesto de acuerdo en una solución de material, y existen diversos diseños compuestos que los clientes están probando activamente en condiciones reales de funcionamiento. Dado que aún no está claro el impacto de las restricciones a los PFAS, es probable que continúe el desarrollo de membranas de hidrocarburos y otras alternativas a los PFAS, dada la posible disrupción del mercado.

El informe de IDTechEx, «Membranas de intercambio iónico 2025-2035: Tecnologías, mercados, actores», prevé que el mercado de las membranas de intercambio iónico superará los 2900 millones de dólares estadounidenses en 2035. La investigación de IDTechEx ofrece un análisis técnico de la tecnología de membranas de intercambio iónico perfluoradas e hidrocarburos, así como un análisis crítico de sus aplicaciones en los mercados emergentes del hidrógeno verde, las baterías de flujo redox, la captura y el almacenamiento de carbono.

Autor: Dr. Jack Howley, analista tecnológico de IDTechEx