Una startup llamada Material Hybrid Manufacturing está intentando utilizar "geometría" en lugar de fórmulas químicas para impulsar la próxima ronda de revolución de las baterías. La empresa fue fundada en 2023 por Gabe Elias, un ingeniero que anteriormente trabajó para el equipo Mercedes-AMG F1 y Rivian. Ha desarrollado un proceso de impresión 3D que puede "imprimir" directamente sistemas de baterías completos en varias superficies y estructuras curvas, lo que se espera que rompa las limitaciones de las tradicionales celdas de batería cuadradas y cilíndricas en el diseño de dispositivos.
A principios de este año, Material recibió un contrato de 1,25 millones de dólares de la Fuerza Aérea de EE. UU. para demostrar la viabilidad de esta tecnología de batería impresa en 3D para hardware de defensa y aeroespacial en 18 meses, centrándose en demostrar cómo las "baterías deformables" que pueden doblarse y adaptarse a superficies estructurales pueden desbloquear la libertad de diseño. En esta vía emergente, la compañía está compitiendo con competidores como Sakuú de Silicon Valley y Blackstone Technology de Alemania para aprovechar la oportunidad de comercializar baterías impresas, especialmente apuntando a escenarios de sistemas pequeños donde "la forma determina la función".
La plataforma patentada de Material, Hybrid3D, es capaz de imprimir todos los componentes clave de una batería (ánodo, cátodo, separador y carcasa) capa por capa, sin necesidad de moldes ni herramientas tradicionales. El sistema combina los principios de la impresión por inyección de tinta de escritura directa y el modelado por deposición fundida para depositar secuencialmente materiales activos con un espesor de capa de 100 a 150 micrones y luego inyectar electrolito líquido para completar el núcleo de la batería. Actualmente, la empresa también está desarrollando una versión de estado sólido como producto de seguimiento.
A diferencia de los modelos de fabricación tradicionales que se basan en carcasas metálicas, barras colectoras y mazos de cables masivos, este método de impresión puede integrar "invisiblemente" la batería en la estructura existente. En los drones, se espera que las baterías estén distribuidas a lo largo de las alas o brazos; En los dispositivos portátiles, las baterías pueden curvarse y extenderse a lo largo de los marcos de las gafas inteligentes, en lugar de ser un módulo de batería de forma fija. En una entrevista con IEEE Spectrum, Elias dijo que el proceso Hybrid3D puede adaptarse a casi cualquier forma geométrica, sin dejar de ser flexible en el sistema químico de la batería. Puede cambiar entre NMC 811, NMC 111, fosfato de hierro y litio (LFP), titanato de litio y otros sistemas cambiando los materiales de entrada y los parámetros del software.
El equipo fundador de Material se centró inicialmente en la industria automotriz, con la esperanza de crear paquetes de baterías con formas personalizadas para vehículos eléctricos. Pero pronto descubrieron que todo el espacio de diseño de los vehículos eléctricos es relativamente generoso. Por ejemplo, el paquete de baterías de 135 kWh de una camioneta Rivian puede albergar más de 7.700 celdas cilíndricas, por lo que los beneficios marginales de la optimización de la forma son limitados. Por el contrario, los pequeños drones, los equipos de soldados individuales y los equipos electrónicos de consumo de nueva generación enfrentan limitaciones de espacio más estrictas, y las baterías a menudo se convierten en "adaptadores pasivos". Como dijo Elias, constantemente se incorporan, integran y optimizan varios componentes electrónicos, pero la batería es la única parte de la ecuación que no ha evolucionado simultáneamente.
Para pasar del concepto a la prueba de concepto, Material se asoció con el fabricante de drones Performance Drone Works (PDW) para modernizar uno de sus drones con baterías. Si bien ocupa el mismo volumen que el paquete de baterías original de 48 celdas, la batería impresa por Material logró un aumento del 50 % en la densidad de energía y un aumento del 35 % en la utilización del espacio interno. Según los cálculos del equipo, se espera que esta mejora de la eficiencia se traduzca en duplicar la distancia de vuelo o aumentar significativamente la capacidad de carga útil manteniendo el mismo alcance. Si se amplía aún más la tecnología, la batería podrá "escribirse" directamente en la estructura de la carrocería o incluso en la carcasa del motor, eliminando fundamentalmente el módulo de batería en el sentido tradicional.
En escenarios militares, el valor potencial de esta tecnología es particularmente obvio: sistemas de suministro de energía individuales más ligeros y ergonómicos, e integración directa de suministros de energía en cascos para brindar soporte a equipos ópticos y sistemas de comunicación de alto rendimiento. Elias recordó que cuando trabajaba en Mercedes-AMG, intentó colocar las celdas de la batería alrededor del asiento del conductor de F1 para optimizar la aerodinámica y la distribución del peso, pero finalmente lo desechó porque la complejidad mecánica era demasiado alta. Esta experiencia también contribuyó a la idea posterior de fabricación aditiva de "hacer que la batería forme parte de la estructura".
En su opinión, este es un camino inevitable para continuar con el concepto de "celdas conectadas directamente a paquetes de baterías": desde convertir las celdas en módulos hasta directamente en paquetes de baterías, y ahora a convertir aún más el almacenamiento de energía en subsistemas estructurales en lugar de componentes independientes. El primer dispositivo de impresión de calidad comercial de Material tiene un tamaño de plataforma de 550×350 mm, y la empresa ya está desarrollando impresoras de mayor formato para soportar el moldeado de componentes más grandes. Esto también significa que el modelo de producción puede sufrir cambios fundamentales: en el futuro, ciertos productos podrán pasar directamente de modelos CAD a objetos físicos, sin necesidad de costosas modificaciones en la línea de producción ni inversiones en moldes.
Elias señaló que los gigantes tradicionales de la electrónica de consumo también están explorando soluciones de baterías que puedan encajar en la estructura. Por ejemplo, Apple ha utilizado una gran cantidad de baterías en forma de L y con formas especiales en los iPhone mediante procesos convencionales para exprimir más espacio dentro del cuerpo. Él cree que si se pueden realizar formas geométricas similares o incluso más complejas mediante la impresión, no sólo se espera que el costo se reduzca significativamente, sino que la escalabilidad también será mayor, lo que será crucial para dispositivos portátiles como las gafas inteligentes que quieran tener en cuenta tanto la apariencia como la duración de la batería en el futuro.
Para que este concepto se implemente realmente, Material aún necesita seguir puliendo la estabilidad del proceso, especialmente las propiedades reológicas del material y el control del espesor de la capa. Debe mantener un alto grado de consistencia en una escala cercana al ancho de un cabello humano para garantizar el rendimiento y la consistencia del rendimiento. Aun así, las perspectivas son atractivas desde una perspectiva económica: una vez maduras, se espera que las baterías impresas en 3D cubran un amplio rango de precios, desde celdas individuales hasta paquetes de baterías de varios kilovatios-hora, y los precios actuales de mercado para estas últimas oscilan entre aproximadamente 400 y 3.000 dólares por kilovatio-hora.
Al reducir las piezas y simplificar el proceso de ensamblaje, se espera que las baterías impresas alcancen mayores márgenes de ganancia en aplicaciones complejas como la aeroespacial y la defensa, que son particularmente sensibles a la forma y el peso, porque en estos campos, la integración estructural y la flexibilidad suelen ser más importantes que el costo unitario puro. Para Material, si Hybrid3D finalmente resulta factible, la forma de la batería ya no será una limitación en el diseño, sino que se convertirá en parte del diseño mismo.