La batería extensible está ganando impulso en la industria electrónica, donde algún día podría servir como medio de almacenamiento de energía en rastreadores de actividad física, dispositivos electrónicos portátiles e incluso ropa inteligente. Los investigadores creen que el concepto será más valioso en la próxima década, a medida que los dispositivos electrónicos Migran cada vez más cerca de la piel humana. «Para muchas aplicaciones, como los dispositivos portátiles, la capacidad de estiramiento es necesaria, ya que nuestra piel se estira cuando nos movemos», dijo James Pikul, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Wisconsin-Madison. “Una batería que sólo se flexiona sería incómoda de usar”. Una batería estirable se comporta como una banda elástica, mientras que las baterías flexibles se parecen más a un trozo de papel, que puede doblarse pero no estirarse. Pikul y otros en todo el mundo están trabajando en baterías que se estiran. Las nuevas baterías se diferencian de las comúnmente conocidas “baterías flexibles” en que soportan fuerzas de tensión axial (fuerzas longitudinales sobre un cuerpo que incluyen tensión y compresión) y se estirarán elásticamente cuando se aplique dicha fuerza. En esencia, una batería extensible se comporta como una banda elástica, mientras que las baterías flexibles se parecen más a un trozo de papel, que puede doblarse pero no estirarse. Los parches abogan por estirarse El interés reciente en las baterías estirables surge del uso creciente de parches portátiles sin energía que monitorean la sangre y incluso sudar. Gatorade, por ejemplo, ahora comercializa un parche para la piel llamado Gx Sweat Patch, que ayuda a controlar la hidratación personal. Muchas otras empresas ofrecen parches médicos portátiles, muchos de los cuales se beneficiarían de la integración de una fuente de energía. «Estamos viendo que la microelectrónica se utiliza en todas partes», afirmó Thierry Djenizian, profesor del departamento de electrónica flexible de la Escuela de Minas de Saint-Etienne en Francia. “Y esos dispositivos electrónicos necesitan energía. Una solución es el desarrollo de microbaterías que puedan ser completamente invisibles”. “Estiramos la batería, la torcimos, la golpeamos con un martillo y aún así demostramos que podía alimentar consistentemente un servomotor bajo todas esas deformaciones”. —James Pikul, Universidad de Wisconsin–Madison Djenizian es parte de un grupo que publicó un artículo en febrero en la revista Advanced Materials Technologies sobre una batería de alambre de iones de litio estirable. La batería de alambre, que mide 1,4 milímetros de diámetro y más de 20 centímetros de largo, utiliza un tejido de cobre retorcido como colector de corriente. Se ha fabricado utilizando químicas de batería convencionales, como óxido de litio y cobalto (LCO) y litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA, popular durante un tiempo en los automóviles Tesla). Los investigadores informan que su batería se puede estirar hasta un 22 por ciento y puede usarse en aplicaciones que incluyen parches biomédicos, rastreadores de salud, textiles inteligentes y relojes de pulsera. Djenizian dijo que una gran parte del atractivo de la batería es la simple comodidad. “Si estás haciendo un estiramiento de yoga, la camisa te puede tirar hacia atrás. Y si tienes baterías que no son estirables, lo sentirás”. De manera similar, Pikul es parte de un grupo que publicó un artículo en marzo en la revista Advanced Functional Materials sobre baterías de metal-aire estirables. La nueva batería de metal-aire aborda un simple hecho de la duración de la batería: que los metales duros pueden ser buenos ánodos y cátodos, pero no se estiran. La solución a ese dilema es una arquitectura en la que se permita que los electrodos metálicos de la batería se deslicen libremente entre su carcasa y su electrolito, los cuales se estiran. El resultado es que las partes activas de la batería (el ánodo y el cátodo) no necesitan estirarse. En esencia, se deslizan por la cara del electrolito. El electrolito está hecho de un hidrogel, una sustancia que tiene aproximadamente la consistencia de una lente de contacto blanda. «El ánodo y el cátodo son bloques y simplemente se deslizan sobre los otros componentes que se estiran», explicó Pikul. La batería de alambre utiliza un ánodo metálico, generalmente zinc, y una tela de carbono cargada con platino, como cátodo de “aire”. La batería no es recargable y sus aplicaciones incluyen parches médicos y audífonos. Agregando zinc a la mezcla Los investigadores también están desarrollando baterías extensibles diseñadas para la seguridad, que incluso pueden usarse en aplicaciones donde el cable de la batería entra en contacto con, por ejemplo, el piel mojada de un usuario transpirante. En un artículo publicado en febrero en la revista Small, los autores Zhao Wang y Jian Zhu dicen que la clave para este tipo de baterías es una química de iones de zinc extensible que utiliza un electrolito acuoso. Estas baterías son más seguras que las de iones de litio, que utilizan un electrolito orgánico «intrínsecamente inflamable», afirman. «Las baterías extensibles con electrolitos acuosos pueden brindarnos seguridad absoluta y energía confiable durante la deformación», escribió Zhu en un correo electrónico. Los autores describen numerosas químicas de iones de zinc, en su mayoría con un ánodo de zinc y un cátodo de óxido de manganeso o un cátodo de plata. La capacidad energética de los iones de zinc extensibles varía desde unos pocos miliamperios-hora por gramo hasta 300 mAh por gramo. «En comparación con las baterías de iones de litio convencionales, las baterías de iones de zinc extensibles tienen una menor densidad de energía, pero pueden controlar la mayoría de los módulos de consumo de energía», incluidos sensores, transistores y pantallas, dijo Zhu. Con una ingeniería cuidadosa, dijo, las baterías se pueden estirar más del 900 por ciento. A diferencia de las baterías de los teléfonos móviles, que consumen gran parte del volumen y peso del producto en general, se espera que la nueva generación de baterías estirables sean prácticamente invisibles. La mayoría tiene menos de 2 milímetros de diámetro y pesa sólo unos pocos gramos. Además, la durabilidad no parece ser un problema con ninguna de las baterías delgadas y estirables. Los investigadores dijeron que sometieron sus baterías extensibles a un abuso sustancial sin incidentes. «Estiramos la batería, la torcimos, la golpeamos con un martillo y aun así demostramos que podía alimentar consistentemente un servomotor bajo todas esas deformaciones», dijo Pikul. Los expertos en baterías creen que el concepto extensible es viable y probablemente encontrarán un supermercado. «Sí, en principio se podría fabricar una batería extensible, siempre que haya un ánodo adecuado», dijo Donald Sadoway, profesor jubilado de ciencias de materiales del MIT y fundador de la Sadoway Labs Foundation, una institución de investigación sin fines de lucro cuyo objetivo es descubrir nuevas baterías. “Pero tal vez lo que se necesita sea flexible, no necesariamente flexible”. Sadoway añadió que construyó una batería extensible para reloj de pulsera en la década de 1990, pero descubrió que era demasiado pronto para comercializarla. Ninguno de los investigadores actuales sabe cuándo llegará al mercado la nueva generación de baterías, pero esperan que crezca su demanda. «En los últimos 10 años, se han producido todos estos avances en la electrónica extensible y ahora hay muchas aplicaciones nuevas», dijo Pikul. «Por lo tanto, existe la necesidad de alimentar estos dispositivos extensibles, y la solución lógica es tener baterías extensibles». Artículos de su sitio Artículos relacionados en la Web
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Etiqueta: Densidad de energia
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