La batería de iones de litio extensible 2024 abre nuevos campos tecnológicos

La batería extensible de iones de litio representa una innovación significativa en el campo de la tecnología portátil. Estas baterías están diseñadas para ser flexibles y duraderas, lo que las hace ideales para una amplia gama de aplicaciones, desde relojes inteligentes hasta dispositivos médicos. A medida que la demanda de productos electrónicos extensibles continúa creciendo, estas baterías avanzadas desempeñarán un papel crucial en el futuro tanto de la electrónica de consumo como de las tecnologías sanitarias.

Stretchable lithium ion battery unlocks new tech fields

Batería de iones de litio extensible: una nueva era en tecnología portátil

Visión general del mercado

En 2022, el mercado global de estirablebaterías de iones de litioestaba valorado en 175,7 millones de dólares. Se espera que este mercado crezca rápidamente a una tasa del 23,0% durante el período previsto. La creciente demanda de baterías extensibles en dispositivos portátiles como relojes inteligentes y teléfonos es un factor importante que impulsa este crecimiento. Estas baterías son cruciales para alimentar dispositivos adaptativos que requieren flexibilidad, como ser flexibles, giratorios y ultradelgados para resistir la deformación mecánica durante el uso.

Aplicaciones y beneficios

La electrónica extensible, incluidas estas baterías avanzadas, desempeña un papel fundamental a la hora de mejorar la funcionalidad y la experiencia del usuario de la tecnología portátil. Su diseño liviano y compacto los hace ideales para dispositivos portátiles, permitiéndoles encajar en los espacios disponibles y reducir el peso y tamaño de los productos. Estas baterías están especialmente diseñadas para soportar flexiones, estiramientos y otras fuerzas mecánicas, lo que las hace más duraderas en comparación con las baterías rígidas tradicionales. Esta durabilidad mejorada es particularmente beneficiosa para los dispositivos portátiles que experimentan movimientos y flexiones regulares.

Avances tecnológicos

Se espera que los recientes avances en la tecnología de baterías de iones de litio extensibles impulsen el crecimiento del mercado. La creciente demanda de dispositivos portátiles avanzados, dispositivos electrónicos implantables como marcapasos y dispositivos portátiles blandos utilizados en entornos urbanos ha despertado el interés en crear baterías con propiedades similares a las de la piel y los órganos humanos. Por ejemplo, en marzo de 2022, un equipo de investigación coreano desarrolló una batería de litio blanda, mecánicamente deformable y estirable, adecuada para dispositivos portátiles. Probaron su potencial imprimiendo la batería en la ropa. Esta batería integra materiales de iones de litio existentes y logra una densidad de almacenamiento de energía de aproximadamente 2,8 mWh/cm², comparable a las baterías rígidas de iones de litio disponibles comercialmente que funcionan a 3,3 V o más.

Desafíos y consideraciones

A pesar de los avances prometedores, existen desafíos en el mercado. La torsión repetida de baterías flexibles puede provocar grietas en las capas de los electrodos, lo que provocaría la descomposición de los materiales activos y obstaculizaría el crecimiento del mercado. Este problema surge principalmente de la fuerza adhesiva limitada entre los materiales de los electrodos y los colectores de corriente. Además, la torsión continua puede aumentar la resistencia interna dentro de la batería, afectando su rendimiento. También existen preocupaciones sobre la batería en sí; por ejemplo, las películas de plástico de aluminio utilizadas en las baterías de litio estándar pueden arrugarse en las baterías flexibles, lo que podría provocar fugas si se perforan las capas de los electrodos.

Batería de iones de litio extensible: innovaciones y aplicaciones

La “batería Jelly” de la Universidad de Cambridge

En el Reino Unido, investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado una novedosa batería de iones de litio extensible inspirada en las anguilas eléctricas. La han llamado “batería de gelatina” debido a su diseño único. Esta batería imita la estructura en capas del tejido de la anguila eléctrica, que es flexible y conductora.

El autor principal, Stephen O'Neill, mencionó en un comunicado de prensa: "Diseñar un material que sea a la vez altamente elástico y conductor es un desafío porque estas propiedades suelen estar en conflicto". La batería del equipo de Cambridge utiliza hidrogeles, que son redes de polímeros que contienen más del 60% de agua. Estas estructuras pueden estirarse y volver a su forma original sin perder funcionalidad.

Estiramiento y resistencia excepcionales

El estudio describió la creación de una red de poliiones supramoleculares con alta capacidad de estiramiento (>1500%), compresibilidad (>90%) y rápida autorrecuperación. Debido a los enlaces reversibles formados por las moléculas compuestas, las capas de la batería de gelatina tienen una fuerte adhesión.

El artículo señala: "La reticulación supramolecular permite que las muestras en capas se alarguen más de diez veces su longitud inicial antes de romperse en la interfaz". Oren Scherman, profesor y director del Laboratorio Melville de Síntesis de Polímeros, enfatizó la posibilidad de personalizar los hidrogeles para que coincidan con las propiedades mecánicas del tejido humano.

Posibles aplicaciones médicas

El equipo de la Universidad de Cambridge propuso que su batería de gelatina podría implantarse en el cerebro para administrar medicamentos o tratar afecciones como la epilepsia. Los hidrogeles, libres de componentes metálicos rígidos, tienen menos probabilidades de ser rechazados por el cuerpo o causar acumulación de tejido cicatricial. Además, los hidrogeles exhiben una dureza notable, resisten la deformación permanente bajo compresión y se reparan automáticamente cuando se dañan.

Implicaciones más amplias

El desarrollo de estas tecnologías es una prioridad global. El Foro Económico Mundial incluyó las baterías flexibles como una de las “Diez principales tecnologías emergentes de 2023”. Estos avances ampliarán las posibilidades en dispositivos portátiles, aplicaciones de IoT, teléfonos inteligentes flexibles e interfaces cerebro-computadora (BCI).

Innovaciones en tecnología de baterías de iones de litio extensibles

Alta flexibilidad y durabilidad

Un equipo de la Universidad de Nanjing en China ha desarrollado una batería de iones de litio extensible que sigue siendo muy eficiente después de 70 ciclos de carga y puede estirarse hasta un 5000%. Esta innovación satisface la creciente demanda de baterías en dispositivos electrónicos extensibles, garantizando flexibilidad y durabilidad. Los monitores de salud portátiles y otros dispositivos electrónicos flexibles requieren estas características deformables.

Avances estructurales

Cuando pensamos en baterías, normalmente no las consideramos flexibles. Sin embargo, para que la electrónica extensible funcione eficazmente, las baterías también deben poder doblarse y estirarse. La mayoría de los intentos de crear este tipo de baterías han implicado doblar piezas rígidas en formas estirables o utilizar telas conductoras. Pero para una batería verdaderamente extensible, cada componente (los electrodos que recogen la carga y la capa intermedia de electrolito que equilibra la carga) debe ser elástico.

Proceso de manufactura

Para fabricar los electrodos de una batería totalmente elástica, el equipo aplicó una fina película de pasta conductora que contenía nanocables de plata, negro de humo y materiales a base de litio sobre una superficie plana. Luego, agregaron una capa de polidimetilsiloxano (PDMS), un material flexible que se usa a menudo en lentes de contacto. Además, agregaron sales de litio, un líquido de alta conductividad e ingredientes para formar un polímero elástico. Bajo exposición a la luz, estos componentes se unieron para crear una capa de caucho robusta que podría estirarse hasta un 5000% de su longitud original y conducir iones de litio. Luego se selló todo el conjunto con otra película de electrodo y se protegió con una capa exterior.

Comparación de rendimiento

La nueva batería extensible de estado sólido superó significativamente a los diseños tradicionales que utilizan electrolitos líquidos. Mostró un aumento de seis veces en la capacidad de carga promedio durante la carga rápida y mantuvo una capacidad estable durante 67 ciclos de carga y descarga. En otros prototipos que utilizan electrodos sólidos, el electrolito polimérico se mantuvo estable durante 1000 ciclos, con solo una caída de capacidad del 1% en los primeros 30 ciclos en comparación con una caída del 16% en las baterías de electrolito líquido.

Batería de iones de litio extensible: aplicaciones e información del mercado

Electrónica usable

La batería de iones de litio extensible cambia las reglas del juego en el mercado de la electrónica portátil. Estas baterías se pueden doblar, girar y flexionar en sincronía con los dispositivos que alimentan, brindando una experiencia de usuario cómoda y fluida. Los dispositivos portátiles como relojes inteligentes y rastreadores de actividad física se benefician enormemente de estas baterías, ya que pueden adaptarse fácilmente a la forma del cuerpo del usuario, lo que garantiza un ajuste cómodo con un peso añadido mínimo. Este diseño liviano es crucial para la comodidad del usuario, especialmente durante el uso prolongado.

Dispositivos médicos

En el sector de la salud, se espera que la batería extensible de iones de litio impulse un crecimiento significativo. Estas baterías tienen el potencial de revolucionar los dispositivos médicos al permitir el desarrollo de electrónica flexible e implantable. Por ejemplo, pueden integrarse en vendajes y sensores inteligentes para monitorear la cicatrización de heridas, detectar infecciones y transmitir rápidamente datos vitales a los profesionales de la salud. Además, su flexibilidad los hace ideales para dispositivos implantables como marcapasos y estimuladores neuronales, lo que reduce las molestias y minimiza el riesgo de daño a los tejidos circundantes.

Perspectivas regionales

La electrónica extensible está experimentando una rápida adopción en diferentes regiones. Se prevé que América del Norte tenga la mayor cuota de mercado debido a la participación activa de actores clave en la región. Por ejemplo, el 31 de julio de 2023, investigadores de la Universidad de Houston crearon un prototipo de batería de iones de litio basada en tela totalmente elástica. Este enfoque innovador convierte los electrodos rígidos de la batería en unos flexibles y estirables, lo que mejora el potencial de los dispositivos portátiles y los biosensores implantables. El uso de tela plateada conductora permite que la batería se doble y estire mientras mantiene la conductividad eléctrica.

En la región de Asia y el Pacífico, la demanda de baterías de iones de litio extensibles está creciendo rápidamente. El 31 de octubre de 2022, investigadores de la Universidad de Hokkaido en Japón desarrollaron una película de embalaje elástica con alta capacidad de barrera contra gases y humedad, lo que hace posible que las baterías flexibles funcionen de manera confiable en el aire. Este avance destaca el compromiso de la región con el desarrollo de baterías altamente flexibles para dispositivos portátiles.

También se espera que Europa experimente un crecimiento sustancial del mercado debido al aumento de las inversiones de las organizaciones. Por ejemplo, el 28 de abril de 2022, Volkswagen y BP formaron una alianza estratégica para promover la adopción generalizada de vehículos eléctricos en toda Europa. Presentaron su primer cargador en Düsseldorf, Alemania, con el objetivo de construir una red de carga rápida para 2024. Esta iniciativa probablemente impulsará la demanda de tecnologías de baterías avanzadas, incluidas baterías de iones de litio extensibles, para respaldar el creciente mercado de vehículos eléctricos.

Estas innovaciones y desarrollos regionales indican un futuro prometedor para las baterías de iones de litio extensibles, particularmente en la mejora de la funcionalidad y la experiencia del usuario de los dispositivos médicos y electrónicos portátiles.

Conclusión

En conclusión, los avances en la tecnología de baterías de iones de litio extensibles están preparados para revolucionar varias industrias. Desde mejorar la funcionalidad y la comodidad de los dispositivos portátiles hasta proporcionar nuevas soluciones para implantes médicos, estas baterías ofrecen importantes beneficios. A medida que la investigación y el desarrollo sigan avanzando, las aplicaciones potenciales de estas fuentes de energía flexibles y duraderas no harán más que ampliarse, impulsando un mayor crecimiento e innovación en el mercado de la electrónica extensible.

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