Los aglutinantes son los héroes anónimos de la fabricación de electrodos para baterías: aunque suelen representar solo entre el 2 % y el 5 % de la masa total de un electrodo, su impacto en el rendimiento, la estabilidad y la escalabilidad de la batería es profundo. En los laboratorios de baterías, los investigadores utilizan una amplia gama de aglutinantes para abordar los desafíos únicos de los nuevos materiales de electrodo (por ejemplo, silicio, azufre, compuestos a base de sodio) y las químicas de baterías de próxima generación (iones de litio, iones de sodio, estado sólido). Estos materiales poliméricos o biopoliméricos cumplen tres funciones principales: adherir los materiales activos a los colectores de corriente, unir los aditivos conductores en una red interconectada y acomodar los cambios de volumen durante los ciclos de carga y descarga. Este artículo explora los aglutinantes más utilizados en los laboratorios de baterías, sus mecanismos de acción y cómo los investigadores adaptan su selección para impulsar la tecnología de baterías.

1. Fluoruro de polivinilideno (PVDF): El caballo de batalla tradicional

fluoruro de polivinilideno ( PVDF El PVDF ha sido durante mucho tiempo el aglutinante de referencia en la investigación de baterías de iones de litio (LIB), valorado por su excepcional estabilidad química y compatibilidad con electrolitos orgánicos. Compuesto por unidades repetitivas -CH₂-CF₂-, la naturaleza hidrofóbica y la alta cristalinidad del PVDF lo hacen resistente a la degradación por electrolitos a base de carbonatos (por ejemplo, mezclas de carbonato de etileno/carbonato de dietilo) comúnmente utilizados en las LIB.

2. Caucho de estireno-butadieno/carboximetilcelulosa (SBR/CMC): Alternativa acuosa para ánodos

El aglutinante compuesto SBR/CMC se ha consolidado como la principal alternativa acuosa al PVDF, especialmente para la investigación de ánodos que utilizan grafito o mezclas de silicio y grafito. Este sistema acuoso combina la elasticidad del caucho de estireno-butadieno (SBR) con la resistencia mecánica de la carboximetilcelulosa (CMC), un derivado de la celulosa modificado con grupos carboximetilo (-CH₂COOH) para mejorar su solubilidad en agua.

3. Ácido poliacrílico (PAA): Aglutinante dinámico para materiales de alta expansión volumétrica

El ácido poliacrílico (PAA), un polímero hidrosoluble con unidades repetitivas -CH₂-CH(COOH)-, se ha convertido en un elemento fundamental en los laboratorios que estudian materiales con una expansión de volumen extrema, como el silicio, el estaño o el antimonio. A diferencia de los enlaces covalentes estáticos del PVDF, el PAA forma enlaces de hidrógeno dinámicos entre sus grupos carboxilo (-COOH) e hidroxilo (-OH) en las superficies de los materiales activos (por ejemplo, las capas de óxido de silicio). Estos enlaces pueden romperse y reformarse durante los ciclos de carga y descarga, adaptándose a los cambios de volumen sin perder adhesión.

4. Poliimida (PI): Aglutinante de alta temperatura para condiciones extremas

La poliimida (PI), un polímero de alto rendimiento conocido por su estabilidad térmica (temperatura de descomposición >400 °C) e inercia química, se utiliza en laboratorios que investigan baterías para entornos extremos (p. ej., aeroespacial, sensores industriales) o baterías de estado sólido (SSB) de alta temperatura. Su rígida estructura aromática y sus grupos funcionales imida (-CO-NH-CO-) le confieren una excepcional resistencia al calor, a los electrolitos orgánicos y a la degradación oxidativa.

La poliimida (PI) también se utiliza en cátodos de baterías de iones de litio de alto voltaje (4,5 V o más), donde los aglutinantes tradicionales se degradan. Un estudio de 2025 publicado en Advanced Energy Materials demostró que los cátodos de NMC 9010 con aglutinantes de PI conservaron el 92 % de su capacidad tras 1000 ciclos a 4,6 V, en comparación con el 70 % con PVDF, debido a la resistencia de la PI a la oxidación del electrolito. Sin embargo, el elevado coste de la PI (aproximadamente 200 $/kg) y su baja solubilidad en disolventes comunes (que requiere dimetilacetamida, un compuesto tóxico) limitan su uso a la investigación especializada de laboratorio, si bien se están realizando esfuerzos para desarrollar derivados de PI solubles en agua.

5. Aglutinantes de base biológica: opciones sostenibles para baterías de próxima generación

A medida que los laboratorios priorizan la sostenibilidad, los aglutinantes de base biológica derivados de recursos renovables (p. ej., plantas, algas) han ganado popularidad. Entre ellos se incluyen el alginato de sodio (de algas pardas), el quitosano (de caparazones de crustáceos) y la lignina (de pulpa de madera), que ofrecen bajo costo, biodegradabilidad y procesamiento acuoso.

El alginato de sodio (SA) destaca en la investigación de baterías de iones de sodio (SIB) y de iones de litio (LIB). Su estructura lineal, con unidades de ácido gulurónico y ácido manurónico, forma fuertes enlaces iónicos cruzados con iones metálicos (p. ej., Na⁺, Ca²⁺), creando una red flexible pero robusta. En los ánodos de carbono duro de las SIB, los aglutinantes de SA superan al PVDF en vida útil (90 % de retención de capacidad tras 1000 ciclos) y capacidad de carga/descarga, ya que sus enlaces iónicos cruzados mejoran el transporte de Na⁺. Los laboratorios también utilizan SA para cátodos de azufre en baterías de Li-S, donde sus grupos polares adsorben polisulfuros solubles, mitigando el efecto lanzadera que provoca la pérdida de capacidad.

El quitosano, un polisacárido catiónico, se utiliza en laboratorios que investigan baterías de iones de zinc (ZIB) debido a su compatibilidad con electrolitos acuosos y su capacidad para inhibir el crecimiento de dendritas de zinc. Sus grupos amino (-NH₂) forman complejos con Zn²⁺, lo que facilita la deposición de zinc en los ánodos. La lignina, un subproducto de la producción de papel, se está desarrollando como aglutinante de bajo costo para cátodos de LFP; sin embargo, su baja solubilidad requiere modificaciones (por ejemplo, sulfonación) en el laboratorio para mejorar su procesabilidad.

6. Criterios de selección de aglutinantes en laboratorios de baterías

Los investigadores de los laboratorios de baterías seleccionan los aglutinantes basándose en cinco factores clave:

Compatibilidad de materiales: Los aglutinantes deben ser estables con los materiales activos (por ejemplo, aglutinantes resistentes a los ácidos para el silicio, resistentes a la oxidación para los cátodos de alto voltaje) y los electrolitos (acuosos frente a orgánicos).

Acomodación de la expansión de volumen: Aglutinantes de alta flexibilidad (p. ej., PAA, SBR/CMC) para materiales como el silicio; aglutinantes rígidos (p. ej., PVDF , PI) para grafito de baja expansión o NMC.

Requisitos de procesamiento: Aglutinantes acuosos (SBR/CMC, PAA) para fabricación ecológica; aglutinantes solubles en materia orgánica (PVDF, PI) para productos químicos especializados.

En los laboratorios de baterías, la elección del aglutinante puede determinar el éxito de nuevos materiales activos o compuestos químicos: el PVDF establece la base de la estabilidad, el SBR/CMC permite la investigación de ánodos ecológicos, el PAA facilita el desarrollo de materiales con alta capacidad de expansión volumétrica, el PI permite su uso en condiciones extremas y los aglutinantes de base biológica allanan el camino hacia baterías sostenibles. A medida que los investigadores buscan una mayor densidad energética, una vida útil más larga y una fabricación más ecológica, los aglutinantes seguirán evolucionando, con innovaciones como polímeros autorreparables, aglutinantes conductores y sistemas multifuncionales (por ejemplo, aglutinantes que actúan como depósitos de electrolito) en el horizonte. Para cualquier persona que trabaje en I+D de baterías, comprender las particularidades de los diferentes aglutinantes es fundamental para aprovechar todo el potencial de las tecnologías de baterías avanzadas.