El diseño sin empaque permite que la microbatería almacene cuatro veces más energía

Cómo habilitar de forma inalámbrica electrónica se están volviendo más pequeños y más comunes, los investigadores de todo el mundo están descubriendo formas de que las baterías almacenen más energía en menos espacio y ahorra peso. Sin embargo, la densidad de energía se vuelve exponencialmente más difícil de mejorar a medida que la batería se vuelve más pequeña, en parte porque una gran parte de la huella de la batería debe dedicarse al embalaje protector.

Los ingenieros de la Universidad de Pensilvania han descubierto una nueva forma de construir y empaquetar microbaterías que mejoran drásticamente la energía y la densidad de potencia, incluso en los tamaños más pequeños. Han desarrollado un nuevo tipo de colector y cátodo de corriente que aumenta la fracción de materiales que almacenan energía mientras sirve como caparazón protector. Esto reduce la necesidad de un embalaje no conductor que normalmente protege los sensibles productos químicos internos de la batería.

Históricamente, las microbaterías han requerido electrodos ultradelgados que permiten el transporte rápido de electrones e iones, pero este perfil delgado limita la cantidad de sustancias químicas que almacenan energía que pueden contener. Los cátodos convencionales, uno de los dos electrodos de una batería, consisten en partículas comprimidas juntas, un proceso que da como resultado grandes espacios entre los electrodos y una configuración interna aleatoria que ralentiza los iones a medida que se mueven a través del batería.

Ahora los ingenieros están desarrollando un material de cátodo mucho más denso que podría galvanizarse directamente sobre láminas de metal delgadas, que también actúan como revestimiento.

«Básicamente, hicimos colectores actuales que cumplen una doble función., » dice James Pikul, líder de el estudio. «Actúan como un conductor de electrones y como un paquete que evita que el agua y el oxígeno entren en la batería.«

Este diseño de microbatería también alinea las ‘carreteras atómicas’ del cátodo, lo que permite que los iones de litio se muevan por las rutas más rápidas y directas a través del cátodo y dentro del dispositivo. Estos componentes rediseñados son tan eficientes en el transporte de iones que pueden ser lo suficientemente gruesos como para duplicar la cantidad de productos químicos que almacenan energía, sin sacrificar la velocidad necesaria para alimentar realmente los dispositivos a los que están conectados.

Combinadas con el nuevo empaque, estas microbaterías tienen una densidad de energía cuatro veces mayor que la de los diseños actuales de última generación. La batería pesa alrededor de dos granos de arroz, pero tiene la energía y la densidad de potencia de las baterías que son cien veces más grandes y pesadas.

El proyecto de microbaterías desempaquetadas de los investigadores abre la puerta a vuelos más pequeños microrobots, dispositivos médicos implantados con una mayor esperanza de vida y una variedad de dispositivos imposibles para el Internet de las Cosas.

El equipo continuará estudiando las características químicas y físicas que se pueden modificar para mejorar aún más el rendimiento al mismo tiempo que se construye. dispositivos portátiles y microrobots que aprovechan estas nuevas fuentes de energía.