Electrodos y electrolitos poliméricos para baterías Na-ion: desarrollo mediante extrusión directa para movilidad ligera

A diferencia de los métodos convencionales de procesado de materiales para baterías, la extrusión directa combina formulación y conformado en un proceso continuo. Esto simplifica la fabricación, mejora la reproducibilidad y facilita la transición hacia un entorno industrial. Además, al eliminar disolventes y secados asociados, se reducen tanto los costes como el impacto ambiental del proceso.

En una batería, los electrodos son los responsables de las reacciones electroquímicas durante la carga y la descarga, mientras que el electrolito actúa como medio de transporte de iones entre ambos electrodos.

En el proyecto SODIGREEN, realizado junto al ITE Centro Tecnológico de la Energía, AIMPLAS ha estudiado la fabricación de ambos componentes por extrusión directa, con el objetivo de validar esta tecnología en sistemas Na-ion.

En la fase de electrodos, el proyecto se reorientó hacia ánodos basados en carbón duro para baterías de ion sodio. Esta elección responde a que el carbón duro es un material anódico de referencia, con un comportamiento suficientemente maduro y estable como para servir de sistema modelo en la validación del proceso. Además, su rendimiento depende de forma estrecha de su microestructura y del propio conformado del electrodo, lo que hace especialmente útil estudiar cómo afecta la extrusión directa a sus propiedades.

Los materiales empleados incluyeron carbón duro como material activo, un aditivo conductor y un aglutinante polimérico para aportar cohesión y estabilidad mecánica. Para asegurar una buena dispersión de los componentes, se diseñó un husillo específico y se optimizaron parámetros como la velocidad del husillo, la producción y el perfil de temperaturas de la línea.

Durante los primeros ensayos, el elevado contenido de material activo provocó un aumento notable de la viscosidad y, con ello, de la presión en la extrusora. Esto generó inestabilidades en el proceso e incluso paradas del equipo. La optimización de la formulación permitió estabilizar la extrusión y obtener láminas continuas y homogéneas. Como línea de mejora, se planteó el uso de un aglutinante con mayor fluidez y de aditivos de ayuda al proceso para reducir la viscosidad de la mezcla.

El electrolito es el elemento que permite el transporte de iones de sodio entre ánodo y cátodo, por lo que su formulación debe combinar conductividad iónica, estabilidad mecánica y procesabilidad. En este caso, se estudió un electrolito sólido basado en una matriz polimérica, sales de NaTFSI y, en algunas formulaciones, cargas inorgánicas como refuerzo y modificador de la cristalinidad del polímero.

La matriz polimérica se eligió en función de su capacidad para coordinar sales y facilitar el transporte iónico a través del movimiento de sus cadenas. La NaTFSI, por su parte, destaca por su estabilidad térmica y electroquímica, así como por su buena disociación iónica. La carga inorgánica se incorporó para mejorar las propiedades mecánicas y favorecer una mayor movilidad iónica al modificar la estructura del polímero.

Uno de los aspectos más críticos de esta parte del desarrollo fue el control de la humedad. Tanto la matriz polimérica como la sal NaTFSI son sensibles al agua, que puede alterar la cristalinidad del polímero, modificar las propiedades de transporte iónico y favorecer reacciones secundarias. Por ello, el procesado y el almacenamiento se realizaron bajo atmósfera inerte de nitrógeno, con vacío en la extrusora y una manipulación controlada de los materiales.

El proceso permitió obtener láminas continuas tanto para electrodos como para electrolitos, con una morfología homogénea y un acabado superficial uniforme. Las formulaciones estudiadas muestran que la relación entre procesabilidad y funcionalidad es el factor decisivo: en electrodos, por el contenido elevado de material activo; en electrolitos, por el equilibrio entre ratio polímero/sal y estabilidad estructural.

En conjunto, los resultados confirman que la extrusión directa es una tecnología prometedora para fabricar componentes de baterías Na-ion de forma continua y solvente-free. Aunque todavía existen retos de optimización, especialmente en espesor final, carga funcional y estabilidad reológica, el enfoque demuestra un claro potencial para su escalado industrial en aplicaciones de movilidad ligera.

La extrusión directa se perfila como una herramienta muy sólida para desarrollar electrodos y electrolitos poliméricos en baterías de ion sodio. Su principal valor está en la simplificación del proceso, la reducción de etapas y la posibilidad de adaptar formulaciones para lograr materiales funcionales con una mejor proyección industrial. En este sentido, el trabajo realizado en el proyecto SODIGREEN abre la puerta a nuevas estrategias de fabricación más sostenibles y cercanas a la producción real de componentes para sistemas de almacenamiento energético.

El proyecto cuenta con el apoyo del Instituto Valenciano de Competitividad e Innovación (IVACE+i), a través de sus programas de fomento de la I+D industrial, con financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) 2021-2017.