:Cortesía de los investigadores

Los investigadores han desarrollado una batería de iones de litio recargable en forma de fibra ultralarga que podría tejerse en telas. La batería podría permitir una amplia variedad de dispositivos electrónicos portátiles e incluso podría usarse para fabricar baterías impresas en 3D en prácticamente cualquier forma.

Los investigadores visualizan nuevas posibilidades para comunicaciones, sensores y dispositivos computacionales autoamplificados que podrían usarse como ropa ordinaria, así como dispositivos cuyas baterías también podrían funcionar como partes estructurales.

En una prueba de concepto, el equipo detrás de la nueva tecnología de batería ha producido la batería de fibra flexible más larga del mundo, 140 metros de largo, para demostrar que el material se puede fabricar en longitudes arbitrariamente largas. El trabajo se describe hoy en la revista Materials Today. El posdoctorado del MIT Tural Khudiyev (ahora profesor asistente en la Universidad Nacional de Singapur), el ex posdoctorado del MIT Jung Tae Lee (ahora profesor en la Universidad Kyung Hee) y Benjamin Grena SM 13, PhD 17 (actualmente en Apple) son los líderes autores en el artículo. Otros coautores son los profesores del MIT Yoel Fink, Ju Li y John Joannopoulos, y otros siete en el MIT y en otros lugares.

Los investigadores, incluidos los miembros de este equipo, han demostrado previamente fibras que contienen una amplia variedad de componentes electrónicos, incluidos diodos emisores de luz (LED), fotosensores, comunicaciones y sistemas digitales. Muchos de estos son portátiles y lavables, lo que los hace prácticos para su uso en productos portátiles, pero hasta ahora todos han dependido de una fuente de alimentación externa. Ahora, esta batería de fibra, que también es tejible y lavable, podría permitir que tales dispositivos fueran completamente autónomos.

La nueva batería de fibra se fabrica utilizando geles de batería novedosos y un sistema estándar de estirado de fibra que comienza con un cilindro más grande que contiene todos los componentes y luego lo calienta justo por debajo de su punto de fusión. El material se extrae a través de una abertura estrecha para comprimir todas las piezas a una fracción de su diámetro original, manteniendo toda la disposición original de las piezas.

.

La batería de fibra continúa alimentando un LED incluso después de un corte parcial, lo que indica que el sistema de batería de fibra está libre de pérdida de electrolito y de cortocircuito.

Mientras que otros han intentado fabricar baterías en forma de fibra, dice Khudiyev, estas se estructuraron con materiales clave en el exterior de la fibra, mientras que este sistema incrusta el litio y otros materiales dentro de la fibra, con un revestimiento exterior protector, lo que hace que este versión estable e impermeable. Esta es la primera demostración de una batería de fibra de menos de un kilómetro de longitud que es lo suficientemente larga y muy duradera para tener aplicaciones prácticas, dice.

El hecho de que hayan podido fabricar una batería de fibra de 140 metros muestra que “no hay un límite superior obvio para la longitud. Definitivamente podríamos hacer una longitud de una escala de kilómetros ”, dice. Un dispositivo de demostración que utiliza la nueva batería de fibra incorporó un sistema de comunicaciones "Li-Fi", uno en el que se utilizan pulsos de luz para transmitir datos, e incluía un micrófono, preamplificador, transistor y diodos para establecer un enlace de datos ópticos entre dos dispositivos de tela tejida.

"Cuando incrustamos los materiales activos dentro de la fibra, eso significa que los componentes sensibles de la batería ya tienen un buen sellado", dice Khudiyev, "y todos los materiales activos están muy bien integrados, por lo que no cambian de posición" durante el dibujo. proceso. Además, la batería de fibra resultante es mucho más delgada y flexible, lo que produce una relación de aspecto, es decir, la fracción de largo a ancho, hasta un millón, que está mucho más allá de otros diseños, lo que hace que sea práctico usar equipo de tejido estándar para crear tejidos que incorporen tanto las baterías como los sistemas electrónicos.

La batería de fibra extraída térmicamente (derecha) es resistente al fuego debido a los electrodos de gel y el electrolito de gel, mientras que la batería de fibra de control con electrolito líquido (izquierda) se incendia instantáneamente y se expande.

La fibra de 140 metros producida hasta ahora tiene una capacidad de almacenamiento de energía de 123 miliamperios-hora, que puede cargar relojes inteligentes o teléfonos, dice. El dispositivo de fibra tiene solo unos pocos cientos de micrones de espesor, más delgado que cualquier intento anterior de producir baterías en forma de fibra.

"La belleza de nuestro enfoque es que podemos integrar varios dispositivos en una fibra individual", dice Lee, "a diferencia de otros enfoques que necesitan la integración de varios dispositivos de fibra". Demostraron la integración de LED y batería de iones de litio en una sola fibra y él cree que se pueden combinar más de tres o cuatro dispositivos en un espacio tan pequeño en el futuro. "Cuando integremos estas fibras que contienen múltiples dispositivos, el agregado avanzará en la realización de una computadora de estructura compacta".

Además de las fibras unidimensionales individuales, que se pueden tejer para producir telas bidimensionales, el material también se puede utilizar en la impresión 3D o en sistemas de formas personalizadas para crear objetos sólidos, como tripas que podrían proporcionar tanto la estructura de un dispositivo y su fuente de alimentación. Para demostrar esta capacidad, se envolvió un submarino de juguete con la fibra de la batería para proporcionarle energía. La incorporación de la fuente de energía en la estructura de tales dispositivos podría reducir el peso total y así mejorar la eficiencia y el alcance que pueden lograr.

"Esta es la primera impresión 3D de un dispositivo de batería de fibra", dice Khudiyev. “Si quieres hacer objetos complejos” a través de la impresión 3D que incorporan un dispositivo de batería, dice, este es el primer sistema que puede lograrlo. “Después de imprimir, no es necesario agregar nada más, porque todo ya está dentro de la fibra, todos los metales, todos los materiales activos. Es solo una impresión de un paso. Esa es la primera vez ".

Eso significa que ahora, dice, "las unidades computacionales se pueden colocar dentro de los objetos cotidianos, incluido el Li-Fi".

El equipo ya ha solicitado una patente sobre el proceso y continúa desarrollando nuevas mejoras en la capacidad de energía y variaciones en los materiales utilizados para mejorar la eficiencia. Khudiyev dice que estas baterías de fibra podrían estar listas para su uso en productos comerciales en unos pocos años.

“La flexibilidad de forma de la nueva celda de batería permite diseños y aplicaciones que antes no habían sido posibles”, dice Martin Winter, profesor de química física en la Universidad de Muenster en Alemania, que no participó en este trabajo. Calificando este trabajo de "muy creativo", agrega: "Como la mayoría de los trabajos académicos sobre baterías miran ahora el almacenamiento en red y los vehículos eléctricos, esta es una desviación maravillosa de la corriente principal".

La investigación fue apoyada por el programa MIT MRSEC de la National Science Foundation, el US Army Research Laboratory a través del Institute for Soldier Nanotechnologies, el programa de becas de investigación para graduados de la National Science Foundation y la National Research Foundation of Korea.

Autor

MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT. Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...