Investigación y desarrollo de baterías estirables
Batería extensible Actualmente en fase de investigación y desarrollo, se espera resolver los problemas anteriores. El equipo del profesor Kong Desheng, de la Universidad de Nanjing, y el investigador asociado Bai Chong propusieron un electrodo basado en una estructura de arrugas microscópicas y un método que puede realizar una batería estirable.
¿Qué es una batería estirable?
La batería estirable es uno de los componentes básicos de la electrónica vestible. No es solo un dispositivo de almacenamiento de energía, sino un sistema en el que intervienen la mecánica, la electricidad y la electroquímica.
La batería de iones de litio (LIB), como una de las las mejores pilas recargablestiene las características de alta densidad energética, larga vida útil y baja tasa de autodescarga.
Consta de electrodos positivos y negativos, colectores de corriente, separadores, electrolitos y materiales de sellado. Para fabricar una batería estirable, todos estos componentes deben funcionar de forma fiable bajo deformación mecánica.
Aunque la estirabilidad puede lograrse mediante el preentrenamiento o la mezcla con grandes cantidades de elastómeros que no participan en el almacenamiento de energía, esto conduce a un deterioro de la densidad de energía y del rendimiento de la tasa.
Además, la mayoría de los enfoques sólo hacen estirables algunos componentes específicos, en lugar de la célula completa. Por tanto, la pila estirable tiene una resistencia y una longitud largas.
Representante de la pila estirable - pila recargable de iones de zinc
Las pilas recargables acuosas de zinc-ión incluyen principalmente los siguientes aspectos destacados:
En primer lugar, esta pila estirable realiza la deformación macroscópica de estiramiento de la propia pila mediante la extensión reversible de la estructura microscópica de pliegues del electrodo, evitando eficazmente la gran deformación de la pila en el espacio tridimensional, para facilitar un ajuste ceñido a la piel;
En segundo lugar, esta batería estirable se basa en un electrolito de gel a base de agua que no quema, lo que puede evitar el cortocircuito interno de la batería generado por la deformación por estiramiento, minimizando así el riesgo de incendio causado por el desbordamiento térmico y mejorando la seguridad del sistema de la batería.
En tercer lugar, el grupo de investigación propuso un método para preparar colectores de corriente de película fina metálica estirable. En comparación con los anteriores, se han mejorado notablemente el rango de deformación por tracción del colector de corriente y la estabilidad estructural durante el proceso de deformación.
En cuarto lugar, gracias al control optimizado de los electrodos arrugados, la batería estirable fabricada tiene una estructura muy compacta con un grosor de sólo 1 mm.
Se espera que la batería estirable impulse otros dispositivos electrónicos funcionales cuando se lleve sobre la piel, deshaciéndose así de los grilletes de una fuente de alimentación externa y haciendo realidad el uso portátil de todo el sistema de dispositivos electrónicos.
Explicación detallada de la tecnología de las pilas estirables
Estructura de las arrugas
Adoptando el método de "preestiramiento-transferencia-laminado", la película conductora puede combinarse con la matriz elástica estirada. Tras liberar la tensión de tracción, puede obtenerse la estructura arrugada.
Se trata de un método muy eficaz para fabricar colectores de corriente y electrodos estirables. Cabe señalar que la morfología microscópica de las arrugas está estrechamente relacionada con el grosor, el módulo elástico y la deformación por tracción del propio material del colector de corriente.
Film elástico
Utilice una capa de película elástica de 1 µm de grosor como sustrato de soporte para apoyar la película fina metálica.
Por un lado, esto mejora significativamente la operatividad de la película metálica durante la transferencia y la laminación; por otro, esta capa de película elástica puede mejorar eficazmente la integridad estructural de la película metálica.
Con el fin de reducir el daño de la tensión mecánica a la película metálica, finalmente se prepara un colector de corriente estirable de alta conductividad que puede estirarse repetidamente 1000 veces en un amplio rango.
Esto significa que se espera preparar un electrodo positivo/negativo estirable cargando el material del electrodo positivo/negativo de la batería en la superficie de este colector de corriente.
Electrodos extensibles
La carga de los materiales de los electrodos no sólo afecta a los pliegues microscópicos y a la adaptabilidad a la piel de los electrodos, sino que también se correlaciona con el rendimiento de almacenamiento de energía de las baterías.
Cuando la carga de los materiales activos del electrodo es demasiado elevada, se produce un fuerte aumento de la rugosidad superficial de los electrodos arrugados, así como la atenuación de la durabilidad mecánica, y se producen arrugas macroscópicas o incluso rizos, que dificultan el montaje de las baterías.
Centrándose en el equilibrio entre la morfología de las arrugas microscópicas, la durabilidad mecánica del electrodo y el rendimiento de almacenamiento de energía de la batería, optimizaron la carga de material de ánodo de zinc metálico y material de cátodo de dióxido de manganeso para preparar un electrodo estirable , que tiene las ventajas de una baja rugosidad y una excelente durabilidad mecánica.
Utilizando la clásica estructura de "sándwich", se puede obtener una batería estirable ensamblando un electrodo positivo estirable, un electrolito de gel y un electrodo negativo estirable.
El futuro de las baterías estirables
En este estudio, el grupo de investigación utilizó una película elástica para soportar el colector de corriente de película fina metálica, lo que mejoró la estabilidad microestructural del colector de corriente al tiempo que mejoraba la capacidad de deformación por tracción del colector de corriente.
Como sistema de película compuesta multicapa formada por película metálica, película elástica y matriz elástica, el papel que desempeña en ella la película elástica también merece un estudio más profundo.
Sin embargo, el módulo elástico, el grosor y la energía de unión interfacial de la película elástica y otros parámetros afectan al grado de fluctuación de la estructura microscópica de las arrugas y a la estabilidad estructural, que deben analizarse más a fondo.
Además, también prepararon colectores de corriente estirables de oro y plata. Otra cuestión sobre la que merece la pena reflexionar es cómo utilizar esta estrategia para preparar colectores de corriente estirables que sean baratos y tengan una buena estabilidad electroquímica.
Resumen
En conclusión, las baterías estirables tienen un gran potencial para revolucionar el campo de la tecnología vestible. Sin embargo, el desarrollo de las baterías estirables se encuentra todavía en una fase temprana y es necesario superar muchos retos, como la mejora de la densidad energética y la durabilidad de las baterías.
En general, la batería estirable ofrece una prometedora solución de batería a las limitaciones de las baterías convencionales en las tecnologías vestibles. Con la investigación y el desarrollo continuados, la batería estirable tiene el potencial de revolucionar este campo y aportar nuevas posibilidades a los dispositivos vestibles.
