Los generadores termoeléctricos (TEG) representan una solución prometedora para la conversión directa del calor en electricidad, una alternativa limpia y sostenible ante la creciente demanda energética. La flexibilidad y ligereza son condiciones cada vez más importantes, especialmente para aplicaciones en dispositivos portátiles y wearables. Sin embargo, los materiales tradicionales con alto desempeño termoeléctrico, como Bi2Te3, presentan rigidez y costes elevados que limitan su uso en tecnologías flexibles. En este contexto, la reciente innovación en materiales híbridos que combinan nanotubos de carbono (CNT) y partículas submicrométricas de BiSbTe ha abierto un camino hacia generadores termoeléctricos más robustos y eficientes, con capacidad de adaptarse a formas variadas y resistir múltiples ciclos de flexión. Esta tecnología está revolucionando el campo de los TEGs flexibles con numerosas implicaciones prácticas.
Los materiales orgánicos termoeléctricos, como los nanotubos de carbono, ofrecen flexibilidad y bajo peso, cualidades ideales para incorporar en dispositivos portátiles que requieran adaptarse a formas complejas y movimientos constantes sin perder funcionalidad. A pesar de estas ventajas, uno de los principales obstáculos que enfrenta esta clase de materiales es el elevado valor de resistividad eléctrica, que afecta negativamente la potencia de salida de los TEGs. Por otro lado, los materiales inorgánicos como BiSbTe presentan un alto coeficiente de Seebeck, es decir, generan voltajes considerables ante diferencias de temperatura, pero carecen de flexibilidad y tienen procesos de fabricación más complejos. La combinación inteligente de estos materiales mediante estructuras 3D porosas logra una sinergia que optimiza sus beneficios y minimiza sus desventajas. La espuma termoeléctrica híbrida basada en CNT y Bi0.
45Sb1.55Te3 (BST) es fabricada a través de un proceso eficiente y económico, que utiliza la evaporación de solventes para crear una estructura porosa en tres dimensiones. En esta matriz, las partículas submicrométricas de BST se distribuyen uniformemente alrededor y dentro de los grupos de nanotubos de carbono, estableciendo una red conductora con múltiples nodos para facilitar el flujo de carga eléctrica. Estos nodos no solo incrementan la conductividad eléctrica y la capacidad termoeléctrica del material, sino que también confieren resistencia mecánica, permitiendo que el generador soporte tensiones y flexiones prolongadas sin degradar su rendimiento. Los estudios muestran que la incorporación de BST en proporciones adecuadas dentro del CNT mejora significativamente tanto la conductividad eléctrica como el coeficiente de Seebeck, resultados fundamentales para potenciar la eficiencia termoeléctrica.
Por ejemplo, con una relación adecuada de CNT a BST (por ejemplo, 1:10 en peso), el material híbrido alcanzó un valor de zT, conocido como la figura de mérito termoeléctrica, 5.7 veces superior al de la espuma de CNT pura. Aunque ese zT para CNT/BST (alrededor de 7.8 ×10⁻³ a 300 K) sigue siendo inferior al de materiales comerciales de BiTe, la capacidad de este compuesto para mantener flexibilidad y durabilidad bajo esfuerzos mecánicos es un aspecto diferenciado y trascendental. Una etapa clave para maximizar el rendimiento del generador se realiza mediante un tratamiento térmico o recocido a 300°C bajo atmósfera de hidrógeno y nitrógeno.
Este proceso promueve la mejora cristalina de las partículas BST y elimina las capas de óxidos no deseados, que obstaculizan el transporte de portadores de carga. Como consecuencia, se establece una red eléctrica más eficiente, aumentando la conductividad sin afectar negativamente la capacidad de dispersión térmica que ofrece la estructura porosa, crucial para mantener un buen gradiente de temperatura. El análisis morfológico del material híbrido mediante microscopía electrónica de barrido y transmisión revela una arquitectura compleja donde los nanotubos de carbono forman haces y ramas entrelazadas, que abrazan partículas BST de tamaños entre 100 y 400 nanómetros. Esta interacción íntima y el crecimiento controlado de cristales durante el proceso de recocido permiten que las partículas BST se agreguen en estructuras mayores, formando “uniones voluminosas” que favorecen el transporte eléctrico y otorgan mayor resistencia mecánica a la espuma. La estabilidad mecánica es uno de los puntos sobresalientes de la espuma CNT/BST.
Al someter el material a pruebas de compresión y flexión, se evidencia una mejora significativa en su módulo elástico y resistencia tanto bajo cargas compresivas como flexurales cuando se compara con la espuma de CNT sola. Esta robustez permite que un TEG fabricado con CNT/BST sostenga hasta 10,000 ciclos de flexión con muy poca variación en su resistencia interna, resultado esencial para dispositivos sometidos a movimientos continuos y deformaciones en aplicaciones reales. En términos de diseño y construcción del generador termoeléctrico completo, el uso de 20 pares de piernas termoeléctricas dispuestas verticalmente en serie, combinando un electrodo n tipo de CNT/Ag2Se con el electrodo p tipo de CNT/BST, crea un módulo flexible con dimensiones compactas, alta conductividad y baja resistencia interna (alrededor de 12.3 Ω). Este diseño permite alcanzar una potencia de salida máxima razonable (15.
7 µW) con un gradiente térmico moderado de aproximadamente 22 °C, lo cual es competitivo entre materiales termoeléctricos flexibles actualmente reportados. Además, demuestra una capacidad de adaptación de forma ideal para superficies no planas. La espuma CNT/BST puede moldearse en configuraciones cóncavas para lograr un contacto conformal con superficies cilíndricas, como un tubo de vidrio. Este contacto íntimo mejora enormemente la transferencia térmica entre el cuerpo caliente o frío y el generador, incrementando el diferencial de temperatura efectivo en las piernas termoeléctricas y, por ende, la generación de energía. Esta versatilidad en forma presupone una amplia gama de aplicaciones prácticas donde la flexibilidad y la capacidad de adaptación de un TEG son indispensables, desde sensores térmicos adhesivos hasta dispositivos integrados en sistemas automotrices o biomedicina.
Aunque se reconoce que la eficiencia de conversión del CNT/BST aún es baja comparada con materiales comerciales como BiTe que pueden alcanzar eficiencias del 1.2% a temperatura ambiente, su fácil fabricación, flexibilidad y durabilidad representan ventajas competitivas para nuevas generaciones de dispositivos termoeléctricos orientados a aplicaciones flexibles, portátiles y vestibles. Para superar estas limitaciones, la investigación futura se enfocará en mejorar la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck mediante dopaje especializado y la ingeniería de interfaces en la estructura híbrida, buscando así elevar la figura de mérito zT. En resumen, el desarrollo de espumas termoeléctricas híbridas a partir de nanotubos de carbono y partículas de BiSbTe cristalizadas abre un camino innovador para el diseño de generadores termoeléctricos flexibles que combinan desempeño, robustez y adaptabilidad. Los procesos de fabricación simples y escalables junto con las excelentes propiedades mecánicas y termoeléctricas posicionan a esta tecnología como una alternativa viable para aplicaciones en recolección de energía residual, dispositivos portátiles inteligentes y sensores térmicos conformables a superficies complejas.
Sin duda, la sinergia entre materiales orgánicos e inorgánicos en estructuras 3D porosas representa el futuro en el ámbito de la termoeléctrica flexible. Su evolución y optimización constante contribuirán a acelerar la transición hacia tecnologías energéticas sostenibles y multifuncionales, compatibles con las demandas crecientes de la sociedad moderna.
