La sostenibilidad es una preocupación creciente para los fabricantes de productos tanto industriales como de consumo. Las soluciones actuales de almacenamiento de energía han sido objeto de críticas por su extracción, fabricación y eliminación insostenibles. IDTechEx ha observado un creciente interés por las alternativas sostenibles a las tecnologías tradicionales de iones de litio y primarias, incluso en aplicaciones de micropotencia en las que podrían utilizarse baterías delgadas. El volumen de baterías que necesita el mundo moderno es enorme.

A nivel mundial, las necesidades de baterías han alcanzado niveles de varios TWh (más de 2,4 TWh en 2023, según la Agencia Internacional de la Energía), con miles de millones de unidades de iones de litio vendidas cada año. Más del 90% de estas baterías acaban en los vertederos. El informe de IDTechEx, «Flexible Batteries Market 2025-2035: Technologies, Forecasts, and Players», incluye detalles sobre baterías delgadas y flexibles para aplicaciones de microenergía, y el paso gradual hacia alternativas sostenibles.

El litio es el principal material utilizado en las modernas tecnologías de baterías. Sin embargo, depende de la extracción de litio. La mayor fuente comercial de litio es la extracción de yacimientos subterráneos (conocidos como salares por la solución salina natural que contienen), que tiene un impacto ambiental relativamente bajo. Sin embargo, las minas de litio son una importante fuente secundaria. Actualmente, las minas de litio no son sostenibles, ya que contribuyen al agotamiento del agua y a la destrucción del hábitat.

Los PFAS, o sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, se utilizan en múltiples etapas de la construcción de pilas. En primer lugar, los PFAS se utilizan en los aglutinantes catódicos, para fijar el material activo al electrodo y conectar el colector de corriente al electrodo. Concretamente, el PTFE y el PVDF se utilizan en pilas de litio recargables y no recargables, así como en otras baterías químicas. Los PFAS son muy adecuados para este uso, ya que tienen buenas propiedades adhesivas y dispersivas. Algunas baterías de iones de litio también utilizan PFAS en electrolitos líquidos, por ejemplo, Li-triflate, LiTFSI y LiBETI. Dependiendo de la batería, los PFAS también pueden utilizarse en revestimientos de separadores y membranas. Podrían servir de aglutinantes en revestimientos cerámicos de separadores, por ejemplo. Por lo general, estos PFAS tienen un bajo impacto ambiental y no son tóxicos. Sin embargo, como los PFAS suscitan cada vez más interés en los organismos gubernamentales, es posible que en el futuro se les someta a una reglamentación cada vez más estricta, sobre todo en Europa, donde se espera que se introduzcan nuevas normas que se aplicarán gradualmente hasta 2025. El alcance exacto de estas nuevas normativas aún está por determinar, lo que constituye un importante factor de motivación para nuevos métodos innovadores de producción de baterías.

Ilustración de algunos componentes de pilas en los que pueden utilizarse sustancias PFAS. Fuente: IDTechE

Como consecuencia de estos factores, muchas empresas se han interesado por materiales y métodos de fabricación más sostenibles. IDTechEx ha analizado específicamente las empresas del sector de la capa fina y la microenergía en el informe «Flexible Batteries Market 2025-2035: Tecnologías, previsiones y actores». De este análisis se desprenden dos planteamientos generales. En primer lugar, el desarrollo de nuevos métodos de fabricación y materiales aglutinantes para las químicas de litio tradicionales. En segundo lugar, el desarrollo de nuevos productos químicos que sustituyan la necesidad de litio y, en algunos casos, eliminen la necesidad de aglutinantes basados en PFAS.

El primer enfoque incluye el desarrollo de tecnologías de curado en seco y curado por energía. Ateios es un ejemplo de empresa que utiliza este tipo de método. La tecnología RaicureTM de Ateios consiste en un proceso de curado por energía para electrodos de baterías que no requiere el uso de PFAS. Esta tecnología fue desarrollada originalmente por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Ateios combina polímeros de curado energético con polvo de pilas para fabricar sus electrodos. Durante el proceso de mezcla, el aglutinante se introduce en fragmentos, lo que ayuda a mejorar la mezcla y la dispersión. Después de recubrir la lámina, se expone al proceso de plataforma que convierte los fragmentos de polímero en una red interconectada que hace más robusto el electrodo. El uso de aglutinantes fragmentados en el proceso de mezcla elimina la necesidad de disolventes.

El segundo enfoque incluye las químicas sin litio. Entre ellas, las de zinc-carbono impreso y plata-zinc son las más significativas en el ámbito de las microbaterías delgadas. El zinc es más abundante que el litio, su extracción es más barata y se considera respetuoso con el medio ambiente. El zinc se extrae de abundantes concentrados de zinc, generalmente sulfuro de zinc. A continuación, este sulfuro se oxida para producir óxido de zinc, que se lixivia para formar sulfato; el sulfato se purifica y, por último, el zinc metálico se extrae mediante electrólisis. El zinc-carbono y el zinc-plata impresos se valoran por su delgadez y flexibilidad y se utilizan para fines de IoT y logística, especialmente etiquetas inteligentes. Entre los principales actores se encuentran Zinergy y CCL Design. Su principal competencia son las pilas monedero, la mayoría de las cuales están basadas en litio, aunque también se aplican algunas químicas basadas en zinc (zinc-aire). La diferenciación a través de la sostenibilidad es cada vez más relevante en este espacio de aplicación, especialmente en Europa.

Otro ejemplo es el desarrollo de una pila de combustible alternativa a las baterías tradicionales. BeFC es una empresa francesa que desarrolla pilas de combustible bioenzimáticas para sustituir a las pilas finas en aplicaciones de microenergía. Las pilas de combustible se imprimen en papel y utilizan reacciones biocatalíticas con glucosa para generar energía. Están formadas por materiales orgánicos, lo que las hace relativamente sostenibles. Las pilas están diseñadas para ser fácilmente desechables y de un solo uso. La pila de combustible se utiliza del mismo modo que una batería, aunque se requiere un catalizador para iniciar la generación de energía, que adopta dos formas generales: estímulos externos (por ejemplo, biológicos o ambientales) como sudor, orina, sangre y saliva, que pueden utilizarse en casos de uso médico o cosmético, o agua de lluvia o río para aplicaciones de teledetección; y estímulos artificiales, es decir, el depósito de ampollas patentado por la empresa, que puede romperse para su activación, de forma similar a un interruptor de encendido mecánico. La empresa se centra en aplicaciones de Internet de las Cosas, parches cutáneos y etiquetas inteligentes, especialmente en casos en los que la no toxicidad y la facilidad de eliminación son importantes.

A medida que aumenta la preocupación por la extracción de materiales y los procesos de fabricación de las baterías, y las normativas siguen acechando en el horizonte, los proveedores de baterías que puedan ofrecer alternativas sostenibles a las tecnologías tradicionales verán aumentar su interés, siempre que puedan mantener la funcionalidad.

Author: Daniel Parr, Technology Analyst at IDTechEx