09.12.2020 - University of California, San Diego

Esta batería flexible y recargable es 10 veces más potente que el estado de la técnica

Un equipo de investigadores ha desarrollado una batería flexible y recargable de óxido de plata y zinc con una densidad de energía superficial de 5 a 10 veces mayor que la del estado del arte. La pila también es más fácil de fabricar; mientras que la mayoría de las pilas flexibles deben ser fabricadas en condiciones estériles, al vacío, ésta puede ser serigrafiada en condiciones normales de laboratorio. El dispositivo puede ser usado en electrónica flexible y estirable para prendas de vestir, así como en robótica suave.

El equipo, formado por investigadores de la Universidad de California en San Diego y la empresa californiana ZPower, detalla sus hallazgos en el número del 7 de diciembre de la revista Joule.

"Nuestras baterías pueden diseñarse en torno a la electrónica, en lugar de que la electrónica tenga que diseñarse en torno a las baterías", dijo Lu Yin, uno de los co-autores del artículo y estudiante de doctorado en el grupo de investigación del profesor de nanoingeniería de la UC San Diego, Joseph Wang.

La capacidad de área de esta innovadora batería es de 50 miliamperios por centímetro cuadrado a temperatura ambiente, lo que es de 10 a 20 veces mayor que la capacidad de área de una batería típica de iones de litio. Así que para la misma superficie, la batería descrita en Joule puede proporcionar de 5 a 10 veces más energía.

"Este tipo de capacidad de área nunca se ha obtenido antes", Yinsaid. "Y nuestro método de fabricación es asequible y escalable."

La nueva batería tiene mayor capacidad que cualquiera de las baterías flexibles disponibles actualmente en el mercado. Eso se debe a que la batería tiene una impedancia mucho más baja... la resistencia de un circuito o dispositivo eléctrico a la corriente alternativa. Cuanto más baja es la impedancia, mejor es el rendimiento de la batería contra la descarga de alta corriente.

"A medida que el mercado de los 5G e Internet de las Cosas (IoT) crece rápidamente, esta batería que supera a los productos comerciales en los dispositivos inalámbricos de alta corriente será probablemente el principal contendiente como la fuente de energía de próxima generación para la electrónica de consumo", dijo Jonathan Scharf el co-autor del artículo y candidato al doctorado en el grupo de investigación del profesor de nanoingeniería de la UC San Diego, Ying Shirley Meng.

Las baterías alimentaron con éxito un sistema de pantalla flexible equipado con un microcontrolador y módulos Bluetooth. También en este caso la batería funcionó mejor que las células de monedas de Li disponibles en el mercado.

Las celdas de batería impresas se recargaron durante más de 80 ciclos, sin mostrar mayores signos de pérdida de capacidad. Las celdas también permanecieron funcionales a pesar de las repetidas flexiones y torsiones.

"Nuestro objetivo principal era mejorar tanto el rendimiento de la batería como el proceso de fabricación", dijo Ying Shirley Meng, director del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales de la Universidad de California en San Diego y uno de los autores correspondientes del artículo.

Para crear la batería, los investigadores utilizaron un diseño de cátodo y una química patentada de ZPower. Wang y su equipo contribuyeron con su experiencia en sensores imprimibles y estirables y baterías estirables. Meng y sus colegas aportaron su experiencia en la caracterización avanzada de sistemas de almacenamiento de energía electroquímica y caracterizaron cada iteración del prototipo de batería hasta que alcanzó su máximo rendimiento.

La receta para un mejor rendimiento

La excepcional densidad de energía de la batería se debe a su química de óxido de plata y zinc (AgO-Zn). La mayoría de las baterías flexibles comerciales usan una química de Ag2O-Zn. Como resultado, normalmente tienen una vida de ciclo limitada y tienen poca capacidad. Esto limita su uso a la electrónica desechable de baja potencia.

El AgO se considera tradicionalmente inestable. Pero el material del cátodo de AgO de ZPower depende de un revestimiento de óxido de plomo patentado para mejorar la estabilidad electroquímica y la conductividad del AgO.

Como beneficio adicional, la química de AgO-Zn es responsable de la baja impedancia de la batería. Los colectores de corriente impresos de la batería también tienen una excelente conductividad, lo que también ayuda a conseguir una menor impedancia.

Mejora de la fabricación

Pero el AgO nunca había sido usado en una batería serigrafiada antes, porque es altamente oxidante y químicamente se degrada rápidamente. Probando varios solventes y aglutinantes, los investigadores del laboratorio de Wang en la Universidad de San Diego pudieron encontrar una formulación de tinta que hace al AgO viable para la impresión. Como resultado, la batería puede ser impresa en sólo unos segundos una vez que las tintas están preparadas. Está seca y lista para usar en sólo unos minutos. La batería también podría ser impresa en un proceso de rollo a rollo, lo que aumentaría la velocidad y haría la fabricación escalable.

Las baterías se imprimen en una película de polímero que es químicamente estable, elástica y tiene un alto punto de fusión (unos 200 grados centígrados o 400 grados Fahrenheit) que se puede sellar con calor. Los colectores de corriente, el ánodo de zinc, el cátodo de AgO y sus correspondientes separadores constituyen cada uno una capa apilada serigrafiada.

El equipo ya está trabajando en la próxima generación de la batería, con el objetivo de conseguir dispositivos de carga más baratos, más rápidos y con una impedancia aún menor que se utilizarían en los dispositivos de 5G y en la robótica blanda que requiere una gran potencia y factores de forma personalizables y flexibles.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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