Baterías imprimibles flexibles: 10× densidad energética con serigrafía estándar

La profesora Ying Shirley Meng y su equipo en UC San Diego han desarrollado un prototipo funcional de una batería flexible de óxido de plata-zinc que tiene al menos diez veces la densidad energética areal de una batería típica de iones de litio. Puede fabricarse con tecnología de serigrafía estándar en un entorno de sala normal.

Tech Briefs: ¿Cómo surgió la idea para este proyecto?

Meng: He tenido un grupo independiente desde 2008 trabajando en baterías de iones de litio. Algunas personas que usan baterías empezaron a preguntar si podríamos hacer baterías flexibles, estirables, de alta energía. Siempre ha habido una demanda para aplicaciones donde el ion-litio sería difícil de usar. Y siempre ha habido problemas relacionados con la química de iones de litio.

Mi colega, el profesor Joseph Wong, es una persona de electrónica imprimible y empezamos a pensar que las dos disciplinas podían trabajar juntas para averiguar cómo hacer baterías de cualquier forma y que sean estirables y flexibles. El auge de IoT impulsó particularmente nuestro deseo de desarrollar tal tecnología.

Tech Briefs: Tengo curiosidad por qué hay tanta demanda de baterías flexibles, doblables, estirables. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones?

Meng: En años recientes, ha habido bastantes aplicaciones. Un ejemplo es Fitbit — hay muchos dispositivos de monitoreo de salud. Muchos sensores, biosensores, ya están implementados en ropa o en dispositivos móviles, pero están mayormente en forma rígida. Son wearables, pero eres consciente de llevarlos. Las baterías son a menudo el factor limitante. Creo que necesitamos una batería estirable, doblable porque la gente quiere usarlas, pero no quiere sentir baterías voluminosas.

Un buen ejemplo para pensar como producto de primera generación es que la correa del Apple Watch o Fitbit podría ser una batería. Además, algunas personas podrían querer usar una diadema con un biosensor integrado. Si también contuviera una batería, los datos del sensor podrían transmitirse directamente a una app. Se podría obtener mucha información biométrica sobre el estado de tu salud monitoreando tu sudor y saliva.

Esos son los temas de investigación muy emocionantes en los que estamos trabajando ahora. Las empresas de ropa están interesadas; y la industria de defensa está interesada porque los militares quieren que su gente esté en óptimas condiciones. Como resultado, sus señales corporales son monitoreadas constantemente, por lo que tener dispositivos de energía suaves y flexibles con alta potencia y alto rendimiento es realmente importante.

Tech Briefs: Pensaría que la parte del sensor no necesita tanta alta potencia, pero supongo que transmitir la señal sí.

Meng: Así es, la mayoría de sensores no necesitan alta potencia, pero necesitas algo para leer las señales y transmitirlas a un teléfono, o dispositivo Bluetooth, por ejemplo. Por supuesto, podrías usar una pila de moneda con carcasa dura, pero el dispositivo no se vería muy bien.

Tech Briefs: Y como dijiste, lo hace incómodo porque es rígido. ¿Qué tipo de capacidad estás manejando en miliamperios-hora? ¿Cuánto tiempo puede funcionar antes de necesitar recargarlo?

Meng: Nuestra batería actual, que no es recargable, tiene una capacidad de aproximadamente 100 mW-hora por centímetro cuadrado. Es unas pocas veces mayor que la capacidad de batería de litio.

Tech Briefs: ¿Qué hay de la vida de tu batería vs. litio?

Meng: Hacemos dos o tres veces mejor que la duración de operación de una pila de moneda típica de iones de litio.

Tech Briefs: Has dicho que normalmente, las baterías flexibles tienen que producirse en condiciones estériles bajo vacío, pero la tuya no. ¿Cómo logras eso?

Meng: Nos alejamos de la química de litio. Usamos baterías basadas en zinc, así que los iones que se transportan son iones de zinc. Es una química benigna que puede producirse en condiciones ambientales. Eso nos permite usar serigrafía en lugar de un método de vacío. Es un método que adoptamos de biosensores imprimibles para producir en masa nuestras baterías flexibles. La reducción de costos aquí es muy significativa con este tipo de proceso de fabricación.

Tech Briefs: ¿Han mirado escalar el proceso de producción de la tinta?

Meng: Tenemos un socio industrial importante que está co-desarrollando esto con nosotros. Así que, para la siguiente etapa, ellos están considerando la escalabilidad. Hemos estado hablando de decenas de millones en ventas, basándonos en nuestras proyecciones de demandas de la industria. Así que tenemos una curva de aprendizaje muy empinada — ahora la batería está siendo hecha a mano por estudiantes en nuestro laboratorio — necesitamos automatizar todo el proceso incluyendo la impresión.

Tech Briefs: En la descripción leí que habla de un colector de corriente. ¿Qué es eso?

Meng: Los colectores de corriente son pestañas positivas y negativas para conectar a la salida de la batería. Pensamos que también podremos imprimirlos.

Tech Briefs: Dijiste que la economía de producirlo será muy buena al final.

Meng: La única preocupación que tenemos es el precio de la plata. Pero estas baterías serán recicladas, así que esperamos que la plata usada eventualmente sea un circuito cerrado. Podemos reciclar más del 90% de todos los materiales, particularmente el óxido de plata en el cátodo. Estamos haciendo trabajo de seguimiento sobre la escalabilidad y el análisis tecno-económico de esta química.

Tech Briefs: ¿Cómo se compararían la forma y tamaño de tu batería con el ion-litio?

Meng: Nuestra forma es en realidad personalizada ahora. Hemos hecho 2x2cm, 1x5, 2x5 y 3x3. Así que podemos hacer celdas multi-dimensionales y luego también apilarlas. En impresión, es fácil apilar capas para construir el voltaje. En principio con la misma área, si hago impresión multi-capa, puedo lograr la misma densidad energética que las celdas de moneda pero manteniendo la flexibilidad. Muchos clientes quieren una forma alargada, ya sabes, como 1x5 para una pulsera.

Todos estos están en una hoja de cálculo de diseño. Puedes enchufar la energía que necesitas, así como condiciones de impresión. Así que, por ejemplo, si estás diseñando una fuente de energía de parche 5x5, a una cierta densidad energética, podemos imprimirla a medida. La impresión es fácil de ajustar.

Tech Briefs: ¿Cuáles son los próximos pasos en tu investigación?

Meng: A continuación, lanzaremos la primera versión no recargable. La segunda generación será recargable por 300 ciclos. Para esas, la densidad energética bajará un poco, pero hay diferentes requisitos para baterías recargables. Lo hemos demostrado en una celda pequeña en el laboratorio, pero ahora necesitamos demostrarlo en las celdas impresas reales.

Creo que el mayor cuello de botella es la escalabilidad. De decenas de celdas a hacer miles — ese es un paso muy crítico.

Tech Briefs: ¿Tienes alguna idea del cronograma para comercializarlo?

Meng: Esperamos que el producto esté listo en unos dos años. En cuanto a la demanda, eso está algo ligado al crecimiento de IoT, por ejemplo, vehículos autónomos. El coche tiene que hablar con todo, ¿verdad? Peatones, árboles, edificios, todo necesita comunicarse para que sepas dónde está todo. Habría predicho que ya debería haber pasado, pero ya sabes que esas cosas aún no han sucedido.

Lo otro es el IoT para monitoreo de salud personalizado. Desde mi perspectiva de científica, creo que esto ya debería haber pasado. La gente debería poder usar sus teléfonos para leer inmediatamente el nivel de azúcar en sangre, por ejemplo. Para Covid, deberíamos poder auto-monitorear. Pero veo que en el futuro la mayoría de las cosas: infraestructura, edificios, todo, será etiquetado con sensores y baterías.

Creo que la tele-salud es un área realmente importante ahora. Tenemos el coronavirus, así que esta es una de nuestras principales fuerzas impulsoras. Dije a mis estudiantes que es realmente importante porque creo que el coronavirus estará con nosotros por mucho, mucho tiempo, así que cada persona tiene la responsabilidad de monitorear su propio nivel de salud. Actualmente se están desarrollando sensores, incluyendo para detección de virus, que necesitan fuentes de energía muy confiables.

Tech Briefs: Y luego poder transmitir esta información directamente a tu médico.

Meng: Sí, tu médico y también funcionarios de salud pública necesitan saber si una persona está infectada. No para invadir tu privacidad, pero necesitas hacer eso para mantener las cosas bajo control.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de marzo 2021 de Tech Briefs.