En los laboratorios de baterías, donde se prueban y perfeccionan las innovaciones en materiales y diseños de almacenamiento de energía, la elección de las estructuras de soporte y los colectores de corriente es crucial para alcanzar avances en rendimiento. Las espumas metálicas —materiales porosos y ligeros con altas áreas superficiales específicas y excelente conductividad— se han convertido en herramientas indispensables en este entorno. A diferencia de las láminas metálicas densas, sus redes de poros interconectados (con una porosidad típica del 50-98 %) permiten una mejor carga de material activo, una difusión de iones más rápida y una mejor gestión térmica, lo que las hace ideales para estudiar el comportamiento de los electrodos, optimizar las arquitecturas de las baterías y desarrollar sistemas de almacenamiento de energía de nueva generación. Este artículo explora cuatro espumas metálicas clave —níquel, cobre, aluminio y titanio— y su papel único en el avance de la investigación en baterías.

1. Espuma de níquel: el caballo de batalla para la investigación de cátodos

Espuma de níquel Es la espuma metálica más utilizada en laboratorios de baterías gracias a su alta conductividad eléctrica (~1,4 × 10⁷ S/m), su resistencia a la corrosión en entornos oxidantes y su compatibilidad con las químicas catódicas habituales. Su estructura porosa tridimensional (tamaños de poro de 100 a 500 μm) proporciona una estructura robusta para la carga de materiales activos catódicos, lo que aborda un reto importante en la fabricación de electrodos a escala de laboratorio: garantizar una distribución uniforme del material y un contacto eléctrico estable.

En la investigación de baterías de iones de litio (LIB), la espuma de níquel se utiliza con frecuencia como colector de corriente para cátodos de alta capacidad, como el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) y el óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA). Por ejemplo, los equipos de laboratorio que prueban NMC 811 (un cátodo con alto contenido de níquel propenso al agrietamiento de partículas) suelen recubrir el material sobre espuma de níquel en lugar del papel de aluminio tradicional. Los poros de la espuma atrapan las partículas de NMC, lo que reduce la tensión mecánica durante los ciclos de carga y descarga y minimiza la pérdida de capacidad. Un estudio de 2024 del Laboratorio de Baterías de Stanford demostró que los electrodos de NMC 811 sobre espuma de níquel conservaron el 89 % de su capacidad inicial después de 500 ciclos, en comparación con el 72 % sobre papel de aluminio; datos atribuidos a la capacidad de la espuma para amortiguar los cambios de volumen.

La espuma de níquel también desempeña un papel fundamental en la investigación de baterías de litio-azufre (Li-S). Los cátodos de Li-S sufren de "desplazamiento de polisulfuro", donde las especies solubles de azufre migran al ánodo y reducen la eficiencia. Los investigadores utilizan espuma de níquel como soporte para el azufre, aprovechando su gran superficie para anclar partículas de azufre y sus sitios activos de níquel para catalizar la conversión de polisulfuro. Experimentos de laboratorio demuestran que los cátodos de espuma de níquel cargados con azufre pueden alcanzar capacidades específicas de 1200 mAh/g (casi el 80 % de la capacidad teórica del azufre), superando con creces el rendimiento del papel de aluminio recubierto de azufre.

En la investigación de baterías de iones de sodio (SIB), la espuma de níquel sirve de soporte a cátodos como el óxido de sodio, níquel y manganeso (NaNi₁/3Mn₁/3Co₁/3O₂), cuya porosidad acelera la difusión de iones de sodio en el ion Na⁺, de mayor tamaño (en comparación con el Li⁺). Los laboratorios de baterías suelen adaptar el tamaño de los poros de la espuma de níquel (mediante grabado ácido o tratamiento térmico) para estudiar cómo la porosidad afecta el transporte de iones, datos cruciales para el escalado de la tecnología SIB.

2. Espuma de cobre: facilitación de la innovación en ánodos y la supresión de dendritas

espuma de cobre Es el material de referencia para la investigación de ánodos en laboratorios de baterías, especialmente para sistemas que utilizan litio metálico o materiales de ánodo de alta capacidad. Su alta conductividad eléctrica (~5,96 × 10⁷ S/m), ductilidad y compatibilidad con entornos reductores (típicos de los ánodos) lo hacen superior a la lámina de cobre sólido para pruebas a escala de laboratorio.

Un enfoque principal de la investigación sobre espuma de cobre son las baterías de metal de litio (LMB), que prometen una densidad energética tres veces mayor que las baterías de litio, pero enfrentan desafíos con el crecimiento de dendritas de litio (estructuras con forma de aguja que perforan los separadores y provocan cortocircuitos). Los laboratorios de baterías utilizan la estructura porosa de la espuma de cobre para alojar el metal de litio, distribuyendo la deposición de litio uniformemente a través de sus poros en lugar de permitir que las dendritas se formen en superficies planas. Por ejemplo, investigadores del MIT probaron recientemente espuma de cobre con un tamaño de poro de 300 μm como andamio de ánodo de litio; sus resultados, publicados en Joule, mostraron un ciclo sin dendritas durante 800 horas a 1 mA/cm², un gran avance para el desarrollo de LMB. Los laboratorios también modifican las superficies de la espuma de cobre (por ejemplo, mediante electrodeposición de nanotubos de zinc o carbono) para mejorar aún más la afinidad por el litio, utilizando el material como plataforma para estudiar los mecanismos de supresión de dendritas.

La espuma de cobre también es vital para probar ánodos de silicio, que tienen una capacidad teórica diez veces mayor que el grafito, pero sufren una expansión de volumen del 300 % durante el ciclo. En laboratorios, se incrustan nanopartículas de silicio en los poros de la espuma de cobre, donde esta actúa como una estructura flexible que absorbe la expansión. Un estudio de 2025 de la Universidad de Michigan reveló que los ánodos de espuma de silicio y cobre conservaban el 75 % de su capacidad después de 1000 ciclos, en comparación con el 40 % de los ánodos de lámina de cobre recubiertos de silicio. Los investigadores utilizan esta configuración para optimizar la carga de silicio (normalmente entre el 5 % y el 20 % en peso) y el tamaño de poro de la espuma, recopilando datos para fundamentar el diseño comercial de ánodos.

En la investigación de baterías de iones de sodio y potasio, la espuma de cobre sirve como colector de corriente anódico para materiales de carbono duro o aleaciones (p. ej., estaño, antimonio). Su porosidad mejora la humectabilidad del electrolito, un factor clave para los iones Na⁺ y K⁺ de mayor tamaño. Por ello, los laboratorios suelen comparar la espuma de cobre con otros colectores (p. ej., níquel) para cuantificar las mejoras en el rendimiento.

3. Espuma de aluminio: Soluciones ligeras para la investigación de baterías de bajo coste

La espuma de aluminio es valorada en los laboratorios de baterías por su baja densidad (un tercio de la del cobre), su bajo coste y su compatibilidad con electrolitos acuosos o de baja toxicidad, lo que la hace ideal para la investigación de sistemas de baterías sostenibles y de bajo coste. Si bien su conductividad eléctrica (~3,77 × 10⁷ S/m) es inferior a la del cobre o el níquel, su estructura porosa lo compensa mejorando el transporte de iones en aplicaciones específicas.

Un área importante de investigación en espuma de aluminio son las baterías acuosas, que utilizan electrolitos a base de agua (más seguros y económicos que los electrolitos orgánicos), pero presentan problemas de corrosión. La capa de óxido natural de la espuma de aluminio (Al₂O₃) resiste la degradación en electrolitos neutros o ligeramente alcalinos, lo que la convierte en un colector de corriente estable para baterías de ion de litio (LIB) o de ion de litio (SIB) acuosas. Por ejemplo, los equipos de laboratorio de la Universidad de Tsinghua utilizan espuma de aluminio como colector catódico para baterías acuosas de fosfato de hierro y litio (LFP), alcanzando una capacidad específica de 160 mAh/g y una retención del 90 % de la capacidad tras 200 ciclos: un rendimiento comparable al de los sistemas de electrolitos orgánicos, pero con un coste un 50 % inferior.

La espuma de aluminio también desempeña un papel en la investigación de baterías híbridas con supercondensadores (batería-supercondensador). Su gran superficie y su diseño ligero la hacen ideal para electrodos de supercondensadores (cargados con carbón activado) que se acoplan a los electrodos de batería para aumentar la densidad de potencia. Los laboratorios utilizan espuma de aluminio para probar la integración de los componentes de la batería y el supercondensador, midiendo cómo la porosidad de la espuma equilibra el almacenamiento de energía (de la batería) y la entrega de energía (del supercondensador).

En el desarrollo de prototipos a escala de laboratorio, se suele utilizar espuma de aluminio para reducir el peso de los paquetes de baterías. Por ejemplo, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, construyeron un prototipo de paquete de baterías para vehículos eléctricos utilizando espuma de aluminio como colector estructural, reduciendo el peso del paquete en un 15 % sin sacrificar la densidad energética, datos cruciales para el diseño de baterías de automóviles.

4. Espuma de titanio: aplicaciones especializadas en la investigación de alta estabilidad

Espuma de titanio Es un material nicho, pero crucial en los laboratorios de baterías, apreciado por su excepcional resistencia a la corrosión (incluso en electrolitos ácidos o de alto voltaje) y su alta estabilidad térmica (punto de fusión de ~1668 °C). Si bien es más caro que otras espumas, sus propiedades únicas lo hacen indispensable para la investigación de baterías en condiciones extremas.

Una aplicación clave son las baterías de iones de litio de alto voltaje (4,5 V o más), que utilizan electrolitos agresivos que corroen los colectores de cobre o aluminio. La resistencia de la espuma de titanio a la oxidación del electrolito permite a los laboratorios probar cátodos de alto voltaje como el LiCoO₂ (LCO) a 4,5 V, donde los colectores tradicionales fallan. Un estudio de 2024 del Instituto Coreano Avanzado de Ciencia y Tecnología (KAIST) utilizó espuma de titanio como colector catódico para LCO de 4,6 V, logrando una capacidad específica de 220 mAh/g y una retención del 85 % tras 300 ciclos. Estos datos impulsan el desarrollo de baterías de iones de litio de alta densidad energética para drones o satélites.

La espuma de titanio también se utiliza en la investigación de baterías de estado sólido (SSB), donde las altas temperaturas de procesamiento (800-1200 °C para electrolitos de óxido) requieren colectores termoestables. Los laboratorios utilizan espuma de titanio para soportar electrolitos sólidos como el LLZO (Li₇La₃Zr₂O₁₂), ya que no reacciona con el electrolito durante la sinterización. Esto permite a los investigadores estudiar la interfaz entre el colector y el electrolito sólido, un importante obstáculo para el rendimiento de las SSB.

En la investigación de reciclaje a escala de laboratorio, la espuma de titanio se utiliza como sustrato para la electrodeposición de litio o cobalto reciclado de baterías usadas. Su resistencia a la corrosión garantiza que no se disuelva en las soluciones ácidas de lixiviación utilizadas en el reciclaje, lo que la convierte en una plataforma fiable para evaluar la eficiencia de la recuperación de metales.

Por qué las espumas metálicas son indispensables en los laboratorios de baterías

Más allá de sus ventajas específicas del material, las espumas metálicas ofrecen tres beneficios universales para los investigadores de baterías:

Ajuste de parámetros: Los laboratorios pueden modificar la porosidad de la espuma (mediante grabado químico o perforación láser), el espesor (100–500 μm) y la composición química de la superficie (recubrimiento con carbono, óxidos o polímeros) para aislar variables y estudiar cómo cada factor afecta el rendimiento de la batería. Por ejemplo, probar espuma de níquel con una porosidad del 60 % frente a una del 80 % revela cómo el tamaño de poro afecta la carga del cátodo de NMC y la difusión de iones.

Fácil integración: Las espumas metálicas son flexibles y se pueden cortar en formas personalizadas (por ejemplo, discos para celdas tipo moneda, láminas para celdas tipo bolsa), lo que las hace compatibles con equipos de prueba de laboratorio estándar, como estaciones de trabajo electroquímicas o cicladores de baterías.

Visión mecanicista: Su estructura porosa permite a los investigadores visualizar procesos como el crecimiento de dendritas (mediante microscopía) o la penetración de electrolitos (mediante tomografía de rayos X), proporcionando información crítica sobre los mecanismos de falla de la batería que están ocultos en los densos colectores de metal.

Las espumas metálicas (níquel, cobre, aluminio y titanio) son más que simples estructuras de soporte en los laboratorios de baterías; impulsan la innovación. Al abordar desafíos clave como la carga de material activo, la supresión de dendritas y la resistencia a la corrosión, permiten a los investigadores ampliar los límites del rendimiento, la seguridad y la sostenibilidad de las baterías. Ya sea probando cátodos con alto contenido de níquel, ánodos de litio metálico, electrolitos acuosos o sistemas de estado sólido, las espumas metálicas proporcionan una plataforma versátil para recopilar datos, validar hipótesis y desarrollar tecnologías que impulsarán la próxima generación de almacenamiento de energía. A medida que la investigación en baterías continúa evolucionando, el papel de las espumas metálicas seguirá creciendo, consolidando su estatus como herramientas esenciales en la búsqueda de baterías mejores, más económicas y más fiables.