La batería más pequeña del mundo puede alimentar un ordenador con el tamaño de un grano de polvo

La tecnología Shrinking Tesla: Un método orientado a la aplicación para un problema no resuelto en microelectrónica

22.02.2022 - Alemania

Los ordenadores son cada vez más pequeños, al igual que los teléfonos móviles actuales ofrecen una potencia de cálculo similar a la de un ordenador portátil. Y la tendencia a la miniaturización continúa. Las aplicaciones de polvo inteligente (dispositivos microelectrónicos diminutos), como los sistemas de sensores biocompatibles en el cuerpo, exigen ordenadores y baterías más pequeños que una mota de polvo. Hasta ahora, este desarrollo se ha visto obstaculizado por dos factores principales: la falta de fuentes de energía en el chip para operar en cualquier momento y lugar y las dificultades para producir microbaterías integrables.

IFW Dresden/TU Chemnitz

La batería más pequeña del mundo es más pequeña que un grano de sal y puede producirse en grandes cantidades en una superficie de oblea.

Jacob Müller, TU Chemnitz

El Dr. Minshen Zhu (izq.) y el Prof. Oliver G. Schmidt presentan la batería más pequeña del mundo. El profesor Schmidt muestra un chip microelectrónico flexible que puede equiparse con un gran número de estas diminutas baterías.

IFW Dresden/TU Chemnitz
Jacob Müller, TU Chemnitz

En el número actual de la revista Advanced Energy Materials, el Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, jefe de la cátedra de sistemas materiales de nanoelectrónica y director científico del Centro de Materiales, Arquitecturas e Integración de Nanomembranas (MAIN) de la Universidad Tecnológica de Chemnitz, el Dr. Minshen Zhu, que trabaja en el grupo del Prof. Schmidt en el Centro de Investigación MAIN desde febrero de 2022, e investigadores del Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales (IFW) de Dresde y del Instituto de Química Aplicada de Changchun presentan una solución a estos retos. Analizan cómo se pueden realizar aplicaciones de polvo inteligente alimentadas por baterías en la escala submilimétrica y presentan la batería más pequeña del mundo, con diferencia, como prototipo orientado a la aplicación.

"Nuestros resultados muestran un rendimiento alentador del almacenamiento de energía a escala submilimétrica", afirma el Dr. Minshen Zhu, y el profesor Oliver Schmidt añade: "Todavía hay un enorme potencial de optimización para esta tecnología, y podemos esperar microbaterías mucho más potentes en el futuro".

Más allá de los límites de la miniaturización

La energía para hacer funcionar los diminutos ordenadores a escala submilimétrica puede obtenerse desarrollando baterías adecuadas o métodos de "cosecha" para generar electricidad.

En el ámbito de la "cosecha", los microgeneradores termoeléctricos, por ejemplo, convierten el calor en electricidad, pero su potencia de salida es demasiado baja para hacer funcionar chips del tamaño del polvo. Las vibraciones mecánicas son otra fuente de energía para alimentar dispositivos de tamaño reducido. Las pequeñas células fotovoltaicas que convierten la luz en energía eléctrica en pequeños chips también son prometedoras.

Sin embargo, la luz y las vibraciones no están disponibles en todo momento ni en todo lugar, lo que hace imposible el funcionamiento a demanda en muchos entornos. Lo mismo ocurre, por ejemplo, en el cuerpo humano, donde los diminutos sensores y actuadores requieren un suministro continuo de energía. Unas baterías diminutas y potentes resolverían este problema.

Sin embargo, la producción de baterías diminutas es muy diferente a la de sus homólogas cotidianas. Por ejemplo, las baterías compactas de alta densidad energética, como las pilas de botón, se fabrican mediante química húmeda. Los materiales de los electrodos y los aditivos (materiales de carbono y aglutinantes) se procesan en una pasta y se recubren sobre una lámina metálica. Las microbaterías en chip producidas con estas tecnologías estándar pueden ofrecer una buena densidad de energía y potencia, pero tienen un tamaño considerablemente superior a un milímetro cuadrado.

Tecnología Tesla de contracción: El proceso Swiss-roll permite fabricar baterías en el chip para ordenadores del tamaño de un polvo

Para la fabricación de baterías en chip se utilizan películas finas apiladas, pilares de electrodos o microelectrodos interdigitados. Sin embargo, estos diseños suelen adolecer de un almacenamiento de energía inferior, y la huella de estas baterías no puede reducirse significativamente por debajo de un milímetro cuadrado. El objetivo del Prof. Schmidt, el Dr. Zhu y los miembros de su equipo era, por tanto, diseñar una batería de tamaño significativamente inferior a un milímetro cuadrado e integrable en un chip, que siguiera teniendo una densidad energética mínima de 100 microvatios hora por centímetro cuadrado.

Para conseguirlo, el equipo ha enrollado colectores de corriente y tiras de electrodos a microescala, un proceso similar al que también utiliza Tesla a gran escala para fabricar las baterías de sus coches eléctricos.

Los investigadores utilizan el llamado proceso "Swiss-roll" o "micro origami". Se crea un sistema de capas con tensión inherente recubriendo consecutivamente finas capas de materiales poliméricos, metálicos y dieléctricos sobre la superficie de una oblea. La tensión mecánica se libera despegando las finas capas, que se vuelven a enrollar automáticamente en una arquitectura de rollo suizo. Así, no se necesitan fuerzas externas para crear esta microbatería cilíndrica autoenrollada. El método es compatible con las tecnologías de fabricación de chips ya establecidas y es capaz de producir microbaterías de alto rendimiento en la superficie de una oblea.

Con este método, el equipo de investigación ha producido microbaterías recargables que podrían alimentar los chips informáticos más pequeños del mundo durante unas diez horas, por ejemplo, para medir continuamente la temperatura ambiente local. Se trata de una batería diminuta con gran potencial para las futuras tecnologías de sensores y actuadores micro y nanoelectrónicos en ámbitos como el Internet de las cosas, los implantes médicos miniaturizados, los sistemas microrobóticos y la electrónica ultraflexible.

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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