Los dispositivos electrónicos flexibles como ciertos modelos que se están desarrollando necesitan disponer de una batería de litio flexible además de las pantallas. Ahora, un equipo de investigadores de Markus Niederberger en ETH ha utilizado materiales estirables para desarrollar una batería que se puede doblar, estirar y retorcer.
La industria electrónica actual se centra cada vez más en computadoras o teléfonos inteligentes con pantallas que se pueden plegar o enrollar. Los weareables y prendas de vestir inteligentes hacen uso de dispositivos o sensores portátiles para controlar las funciones corporales, por ejemplo. Sin embargo, todos estos dispositivos necesitan una fuente de energía, que generalmente es una batería de iones de litio. Desafortunadamente, las baterías comerciales suelen ser pesadas y rígidas, lo que las hace fundamentalmente inadecuadas para aplicaciones en productos electrónicos o textiles flexibles.
Markus Niederberger, profesor de materiales multifuncionales en ETH Zurich, y su equipo están creando un remedio para este problema. Los investigadores han desarrollado un prototipo para una batería flexible de película delgada que puede doblarse, estirarse e incluso retorcerse sin interrumpir el suministro de energía.
Lo que hace que esta nueva batería sea especial es su electrolito, esa parte de la batería a través de la cual se mueven los iones de litio cuando la batería se carga o descarga. Este electrolito fue descubierto por el estudiante de doctorado ETH Xi Chen, autor principal del estudio que apareció recientemente en la revista científica Advanced Materials.
Empleando sistemáticamente componentes flexibles
Siguiendo el diseño de baterías comerciales, este nuevo tipo de batería está construido en capas como un sándwich. Sin embargo, es la primera vez que los investigadores utilizan componentes flexibles para mantener la batería flexible y elástica. «Hasta la fecha, nadie ha empleado componentes exclusivamente flexibles tan sistemáticamente como nosotros en la creación de una batería de iones de litio», dice Niederberger.
Los dos colectores de corriente para el ánodo y el cátodo consisten en un compuesto de polímero flexible que contiene carbono eléctricamente conductor y que también sirve como la cubierta externa. En la superficie interior del compuesto, los investigadores aplicaron una capa delgada de escamas de plata micronizadas. Debido a la forma en que los copos se superponen como tejas, no pierden contacto entre sí cuando se estira el elastómero. Esto garantiza la conductividad del colector actual, incluso si está sometido a extensos estiramientos. Y en el caso de que las escamas de plata pierdan contacto entre sí, la corriente eléctrica aún puede fluir a través del compuesto que contiene carbono, aunque de manera más débil.
Con la ayuda de una máscara, los investigadores rociaron el ánodo y el polvo del cátodo en un área definida con precisión de la capa de plata. El cátodo está compuesto de óxido de litio manganeso y el ánodo es un óxido de vanadio.
La batería se puede retorcer, estirar y doblar sin interrumpir la fuente de alimentación. (Fotografías: Grupo Niederberger, ETH Zurich)
Foto: Niederberger Group, ETH Zurich.
Gel electrolito a base de agua
En el paso final, los científicos apilaron los dos colectores de corriente con los electrodos aplicados uno encima del otro, separados por una capa de barrera similar a un marco de imagen, mientras que el espacio en el marco se llenó con el gel de electrolito.
Niederberger enfatiza que este gel es más amigable con el medio ambiente que los electrolitos comerciales: «El electrolito líquido en las baterías actuales es inflamable y tóxico». En contraste, el electrolito en gel que desarrolló su estudiante de doctorado Chen contiene agua con una alta concentración de sal de litio, que no solo facilita el flujo de iones de litio entre el cátodo y el ánodo mientras la batería se carga o descarga, sino que también evita que el agua se descomponga electroquímicamente.
Los científicos unieron las diversas partes de su prototipo junto con adhesivo. «Si queremos comercializar la batería comercialmente, tendremos que encontrar otro proceso que la mantenga sellada herméticamente durante un período de tiempo más largo», dice Niederberger.
Numerosas aplicaciones potenciales para la batería de litio flexible
Cada vez surgen más aplicaciones para una batería como esta. Los conocidos fabricantes de teléfonos móviles compiten entre sí para producir dispositivos con pantallas plegables. Otras posibilidades incluyen pantallas enrollables para computadoras, relojes inteligentes y tabletas, o textiles funcionales que contienen dispositivos electrónicos flexibles, y todos estos requieren una fuente de alimentación flexible. «Por ejemplo, podrías coser nuestra batería directamente en la ropa», dice Niederberger. Lo importante es, en caso de fuga de la batería, asegurarse de que los líquidos que salen no causen daños. Aquí es donde el electrolito del equipo ofrece una ventaja considerable.
Sin embargo, Niederberger enfatiza que se necesita más investigación para optimizar la batería flexible antes de considerar su comercialización. Sobre todo, el equipo tiene que aumentar la cantidad de material de electrodo que puede contener. Un nuevo estudiante de doctorado ha comenzado recientemente a refinar la fuente de alimentación extensible. El inventor del prototipo inicial, Xi Chen, regresó a su tierra natal de China después de completar su tesis doctoral para asumir un nuevo trabajo, como consultor para la industria de la batería.
Referencia
Chen X, Huang H, Pan L, Liu T, Niederberger M. Diseño totalmente integrado de una batería completa de iones de litio de estado sólido elástico. Adv.Mater.2019, publicado por primera vez: 06 de septiembre de 2019 doi: 10.1002 / adma.201904648
Fuente: Peter Rüegg en ETHZürich
