Bateria extensível de íon de lítio 2024 desbloqueia novos campos tecnológicos

Índice

Bateria extensível de íon de lítio 2024 desbloqueia novos campos tecnológicos

A bateria extensível de íons de lítio representa uma inovação significativa no campo da tecnologia vestível. Essas baterias são projetadas para serem flexíveis e duráveis, tornando-as ideais para uma ampla gama de aplicações, desde smartwatches até dispositivos médicos. À medida que a procura por produtos eletrónicos extensíveis continua a crescer, estas baterias avançadas deverão desempenhar um papel crucial no futuro dos produtos eletrónicos de consumo e das tecnologias de saúde.

Bateria extensível de íons de lítio: uma nova era em tecnologia vestível

Visão geral do mercado

Em 2022, o mercado global de elásticosbaterias de íon de lítiofoi avaliado em US$ 175,7 milhões. Espera-se que este mercado cresça rapidamente a uma taxa de 23,0% durante o período de previsão. A crescente demanda por baterias extensíveis em dispositivos vestíveis, como smartwatches e telefones, é um fator importante que impulsiona esse crescimento. Essas baterias são cruciais para alimentar dispositivos adaptativos que exigem flexibilidade, como serem dobráveis, torcíveis e ultrafinas para suportar a deformação mecânica durante o uso.

Aplicações e Benefícios

A eletrônica extensível, incluindo essas baterias avançadas, desempenha um papel vital no aprimoramento da funcionalidade e da experiência do usuário da tecnologia vestível. Seu design leve e compacto os torna ideais para dispositivos portáteis, permitindo que caibam nos espaços disponíveis e reduzam o peso e o tamanho dos produtos. Essas baterias são especialmente projetadas para suportar flexão, alongamento e outras forças mecânicas, tornando-as mais duráveis em comparação com as baterias rígidas tradicionais. Essa durabilidade aprimorada é particularmente benéfica para wearables que apresentam movimentos e flexões regulares.

Avanços tecnológicos

Espera-se que os recentes avanços na tecnologia de baterias de íons de lítio extensíveis impulsionem o crescimento do mercado. A crescente demanda por dispositivos vestíveis avançados, dispositivos eletrônicos implantáveis, como marca-passos, e dispositivos vestíveis macios usados em ambientes urbanos despertou o interesse na criação de baterias com propriedades semelhantes às da pele e dos órgãos humanos. Por exemplo, em março de 2022, uma equipe de pesquisa coreana desenvolveu uma bateria de lítio macia, mecanicamente deformável e extensível, adequada para dispositivos vestíveis. Eles testaram seu potencial imprimindo a bateria nas roupas. Esta bateria integra materiais de íon de lítio existentes e atinge uma densidade de armazenamento de energia de aproximadamente 2,8 mWh/cm², comparável às baterias rígidas de íon de lítio disponíveis comercialmente operando a 3,3 V ou superior.

Desafios e Considerações

Apesar dos avanços promissores, existem desafios no mercado. A torção repetida de baterias flexíveis pode causar rachaduras nas camadas dos eletrodos, levando à quebra dos materiais ativos e dificultando o crescimento do mercado. Este problema surge principalmente da força adesiva limitada entre os materiais dos eletrodos e os coletores de corrente. Além disso, a torção contínua pode aumentar a resistência interna da bateria, afetando seu desempenho. Também existem preocupações sobre a própria bateria; por exemplo, filmes plásticos de alumínio usados em baterias de lítio padrão podem enrugar em baterias flexíveis, causando potencialmente vazamentos se as camadas dos eletrodos forem perfuradas.

Bateria extensível de íon de lítio: inovações e aplicações

“Bateria de gelatina” da Universidade de Cambridge

No Reino Unido, pesquisadores da Universidade de Cambridge desenvolveram uma nova bateria extensível de íons de lítio inspirada em enguias elétricas. Eles a chamaram de “bateria gelatinosa” devido ao seu design exclusivo. Esta bateria imita a estrutura em camadas do tecido da enguia elétrica, que é flexível e condutora.

O autor principal, Stephen O'Neill, mencionou em um comunicado à imprensa: “Projetar um material que seja altamente elástico e altamente condutivo é um desafio porque essas propriedades geralmente são conflitantes”. A bateria da equipe de Cambridge usa hidrogéis, que são redes poliméricas contendo mais de 60% de água. Essas estruturas podem esticar e retornar à sua forma original sem perder funcionalidade.

Esticabilidade e resiliência excepcionais

O estudo descreveu a criação de uma rede supramolecular de poliíons com alta elasticidade (> 1500%), compressibilidade (> 90%) e rápida auto-recuperação. Devido às ligações reversíveis formadas pelas moléculas do composto, as camadas da bateria gelatinosa apresentam forte adesão.

O artigo observou: “A reticulação supramolecular permite que amostras em camadas se alonguem mais de dez vezes seu comprimento inicial antes de quebrar na interface”. Oren Scherman, professor e diretor do Laboratório Melville de Síntese de Polímeros, enfatizou a capacidade de personalização dos hidrogéis para corresponder às propriedades mecânicas do tecido humano.

Potenciais aplicações médicas

A equipe da Universidade de Cambridge propôs que sua bateria gelatinosa pudesse ser implantada no cérebro para administração de medicamentos ou para tratar doenças como a epilepsia. Os hidrogéis, isentos de componentes metálicos rígidos, têm menos probabilidade de serem rejeitados pelo corpo ou causarem acúmulo de tecido cicatricial. Além disso, os hidrogéis apresentam notável tenacidade, resistindo à deformação permanente sob compressão e auto-reparando-se quando danificados.

Implicações mais amplas

O desenvolvimento destas tecnologias é uma prioridade global. O Fórum Econômico Mundial listou as baterias flexíveis como uma das “Dez Principais Tecnologias Emergentes de 2023”. Esses avanços visam expandir as possibilidades em dispositivos vestíveis, aplicativos IoT, smartphones flexíveis e interfaces cérebro-computador (BCIs).

Inovações em tecnologia de bateria de íon de lítio extensível

Alta flexibilidade e durabilidade

Uma equipe da Universidade de Nanjing, na China, desenvolveu uma bateria extensível de íons de lítio que permanece altamente eficiente após 70 ciclos de carregamento e pode esticar até 5.000%. Esta inovação atende à crescente demanda por baterias em eletrônicos extensíveis, garantindo flexibilidade e durabilidade. Monitores de saúde vestíveis e outros dispositivos eletrônicos flexíveis exigem essas características deformáveis.

Avanços Estruturais

Quando pensamos em baterias, geralmente não pensamos nelas como flexíveis. No entanto, para que a eletrônica extensível funcione de maneira eficaz, as baterias também devem ser capazes de dobrar e esticar. A maioria das tentativas de criar essas baterias envolveu dobrar peças rígidas em formas elásticas ou usar tecidos condutores. Mas para uma bateria verdadeiramente extensível, cada componente – os eletrodos que coletam a carga e a camada intermediária de eletrólito que equilibra a carga – precisa ser elástico.

Processo de manufatura

Para fazer os eletrodos de uma bateria totalmente elástica, a equipe aplicou uma fina película de pasta condutora contendo nanofios de prata, negro de fumo e materiais à base de lítio em uma superfície plana. Em seguida, adicionaram uma camada de polidimetilsiloxano (PDMS), um material flexível frequentemente usado em lentes de contato. Além disso, adicionaram sais de lítio, um líquido de alta condutividade, e ingredientes para formar um polímero elástico. Sob exposição à luz, esses componentes se uniram para criar uma camada de borracha robusta que poderia esticar até 5.000% de seu comprimento original e conduzir íons de lítio. Todo o conjunto foi então selado com outro filme de eletrodo e protegido por uma camada externa.

Comparação de desempenho

The new solid-state stretchable battery significantly outperformed traditional designs that use liquid electrolytes. It showed a sixfold increase in average charging capacity during rapid charging and maintained stable capacity over 67 charge-discharge cycles. In other prototypes using solid electrodes, the polymer electrolyte remained stable over 1000 cycles, with only a 1% capacity drop in the first 30 cycles compared to a 16% drop in liquid electrolyte batteries.

Bateria extensível de íons de lítio: aplicações e insights de mercado

Wearable Electronics

The stretchable lithium ion battery is a game-changer for the wearable electronics market. These batteries can bend, twist, and flex in sync with the devices they power, providing a seamless and comfortable user experience. Wearable devices like smartwatches and fitness trackers benefit greatly from these batteries as they can easily adapt to the shape of the wearer’s body, ensuring a comfortable fit with minimal added weight. This lightweight design is crucial for user comfort, especially during prolonged use.

Medical Devices

No setor de saúde, espera-se que a bateria extensível de íons de lítio impulsione um crescimento significativo. Estas baterias têm o potencial de revolucionar os dispositivos médicos, permitindo o desenvolvimento de produtos eletrônicos flexíveis e implantáveis. Por exemplo, podem ser integrados em ligaduras e sensores inteligentes para monitorizar a cicatrização de feridas, detectar infecções e transmitir rapidamente dados vitais aos profissionais de saúde. Além disso, a sua flexibilidade torna-os ideais para dispositivos implantáveis como pacemakers e estimuladores neurais, reduzindo o desconforto e minimizando o risco de danos nos tecidos circundantes.

Informações regionais

Os eletrônicos extensíveis estão sendo rapidamente adotados em diferentes regiões. Prevê-se que a América do Norte detenha a maior participação de mercado devido à participação ativa dos principais players da região. Por exemplo, em 31 de julho de 2023, pesquisadores da Universidade de Houston criaram um protótipo de bateria de íons de lítio totalmente elástico à base de tecido. Esta abordagem inovadora converte eletrodos de bateria rígidos em eletrodos flexíveis e extensíveis, aumentando o potencial para dispositivos vestíveis e biossensores implantáveis. O uso de tecido prateado condutor permite que a bateria dobre e estique, mantendo a condutividade elétrica.

Na região Ásia-Pacífico, a procura de baterias extensíveis de iões de lítio está a crescer rapidamente. Em 31 de outubro de 2022, pesquisadores da Universidade de Hokkaido, no Japão, desenvolveram um filme de embalagem elástico com alta capacidade de barreira a gases e umidade, possibilitando que baterias flexíveis operem de maneira confiável no ar. Este avanço destaca o compromisso da região em desenvolver baterias altamente flexíveis para dispositivos vestíveis.

Espera-se também que a Europa veja um crescimento substancial do mercado devido ao aumento dos investimentos das organizações. Por exemplo, em 28 de abril de 2022, a Volkswagen e a BP formaram uma aliança estratégica para promover a adoção generalizada de veículos elétricos em toda a Europa. Apresentaram o seu primeiro carregador em Düsseldorf, na Alemanha, com o objetivo de construir uma rede de carregamento rápido até 2024. Esta iniciativa provavelmente impulsionará a procura de tecnologias avançadas de baterias, incluindo baterias extensíveis de iões de lítio, para apoiar o crescente mercado de veículos elétricos.

Estas inovações e desenvolvimentos regionais indicam um futuro promissor para as baterias extensíveis de iões de lítio, particularmente na melhoria da funcionalidade e da experiência do utilizador de dispositivos eletrónicos e dispositivos médicos vestíveis.

Conclusão

Concluindo, os avanços na tecnologia de baterias extensíveis de íons de lítio estão prestes a revolucionar vários setores. Desde melhorar a funcionalidade e o conforto de dispositivos vestíveis até fornecer novas soluções para implantes médicos, essas baterias oferecem benefícios significativos. À medida que a investigação e o desenvolvimento continuam a progredir, as aplicações potenciais para estas fontes de energia flexíveis e duráveis irão apenas expandir-se, impulsionando ainda mais o crescimento e a inovação no mercado de produtos eletrónicos extensíveis.