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2022-11-07Nuevos materiales podrían permitir baterías implantables más duraderas

MIT |Los marcapasos y otros dispositivos médicos, así como los drones de larga distancia y los sensores remotos, podrían requerir menos reemplazos de batería con un nuevo enfoque.

Durante las últimas décadas, la investigación sobre baterías se ha centrado en gran medida en las baterías recargables de iones de litio, que se utilizan en todo, desde automóviles eléctricos hasta dispositivos electrónicos portátiles, y han mejorado drásticamente en términos de asequibilidad y capacidad. Pero las baterías no recargables han visto pocas mejoras durante ese tiempo, a pesar de su papel crucial en muchos usos importantes, como dispositivos médicos implantables como marcapasos.

Ahora, los investigadores del MIT han ideado una forma de mejorar la densidad de energía de estas baterías no recargables o "primarias". Dicen que podría permitir un aumento de hasta un 50 por ciento en la vida útil, o una disminución correspondiente en el tamaño y el peso para una cantidad determinada de potencia o capacidad energética, al tiempo que mejora la seguridad, con poco o ningún aumento en el costo.

Los nuevos hallazgos, que implican la sustitución del electrolito de la batería convencionalmente inactivo con un material que es activo para el suministro de energía, se informan hoy en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , en un artículo del MIT Kavanaugh Postdoctoral Fellow Haining Gao, estudiante de posgrado Alejandro Sevilla, profesor asociado de ingeniería mecánica Betar Gallant, y otros cuatro en MIT y Caltech.

Reemplazar la batería de un marcapasos u otro implante médico requiere un procedimiento quirúrgico, por lo que cualquier aumento en la vida útil de las baterías podría tener un impacto significativo en la calidad de vida del paciente, dice Gallant. Las baterías primarias se utilizan para aplicaciones tan esenciales porque pueden proporcionar aproximadamente tres veces más energía para un tamaño y peso determinados que las baterías recargables.

Esa diferencia en capacidad, dice Gao, hace que las baterías primarias sean "críticas para aplicaciones donde la carga no es posible o no es práctica". Los nuevos materiales funcionan a la temperatura del cuerpo humano, por lo que serían adecuados para implantes médicos. Además de los dispositivos implantables, con un mayor desarrollo para hacer que las baterías funcionen de manera eficiente a temperaturas más bajas, las aplicaciones también podrían incluir sensores en los dispositivos de seguimiento de los envíos, por ejemplo, para garantizar que los requisitos de temperatura y humedad para los envíos de alimentos o medicamentos se mantengan adecuadamente durante todo el envío. proceso. O bien, pueden usarse en vehículos aéreos o submarinos operados de forma remota que deben permanecer listos para el despliegue durante largos períodos.

Las baterías de los marcapasos suelen durar entre cinco y 10 años, e incluso menos si requieren funciones de alto voltaje como la desfibrilación. Sin embargo, para tales baterías, dice Gao, la tecnología se considera madura y "no ha habido grandes innovaciones en la química fundamental de las células en los últimos 40 años".

La clave de la innovación del equipo es un nuevo tipo de electrolito: el material que se encuentra entre los dos polos eléctricos de la batería, el cátodo y el ánodo, y permite que los portadores de carga pasen de un lado al otro. Usando un nuevo compuesto fluorado líquido, el equipo descubrió que podían combinar algunas de las funciones del cátodo y el electrolito en un compuesto, llamado catolito. Esto permite ahorrar gran parte del peso de las baterías primarias típicas, dice Gao.

Si bien hay otros materiales además de este nuevo compuesto que teóricamente podrían funcionar en una función de catolito similar en una batería de alta capacidad, explica Gallant, esos materiales tienen voltajes inherentes más bajos que no coinciden con los del resto del material en una batería de marcapasos convencional. , un tipo conocido como CF x . Debido a que la salida total de la batería no puede ser mayor que la del menor de los dos materiales de electrodo, la capacidad adicional se desperdiciaría debido a la falta de coincidencia de voltaje. Pero con el nuevo material, "uno de los méritos clave de nuestros líquidos fluorados es que su voltaje se alinea muy bien con el de CF x ", dice Gallant.

En una batería CF x convencional , el electrolito líquido es esencial porque permite que las partículas cargadas pasen de un electrodo al otro. Pero "esos electrolitos en realidad son químicamente inactivos, por lo que básicamente son un peso muerto", dice Gao. Esto significa que alrededor del 50 por ciento de los componentes clave de la batería, principalmente el electrolito, es material inactivo. Pero en el nuevo diseño con el material de catolito fluorado, la cantidad de peso muerto se puede reducir a alrededor del 20 por ciento, dice ella.

Las nuevas celdas también brindan mejoras de seguridad en comparación con otros tipos de productos químicos propuestos que utilizarían materiales de catolito tóxicos y corrosivos, algo que no hace su fórmula, dice Gallant. Y las pruebas preliminares han demostrado una vida útil estable durante más de un año, una característica importante para las baterías primarias, dice.

Hasta ahora, el equipo aún no ha logrado experimentalmente la mejora total del 50 por ciento en la densidad de energía prevista por su análisis. Han demostrado una mejora del 20 por ciento, lo que en sí mismo sería una ganancia importante para algunas aplicaciones, dice Gallant. El diseño de la celda en sí aún no se ha optimizado por completo, pero los investigadores pueden proyectar el rendimiento de la celda en función del rendimiento del material activo en sí. “Podemos ver que el rendimiento proyectado a nivel de celda cuando se amplía puede alcanzar alrededor de un 50 por ciento más que la celda CF x ”, dice. Alcanzar ese nivel de forma experimental es el próximo objetivo del equipo.

Sevilla, estudiante de doctorado en el departamento de ingeniería mecánica, se centrará en ese trabajo el próximo año. “Me trajeron a este proyecto para tratar de comprender algunas de las limitaciones de por qué no hemos podido alcanzar la densidad de energía total posible”, dice. “Mi papel ha sido tratar de llenar los vacíos en términos de comprensión de la reacción subyacente”.

Una gran ventaja del nuevo material, dice Gao, es que se puede integrar fácilmente en los procesos de fabricación de baterías existentes, como una simple sustitución de un material por otro. Las discusiones preliminares con los fabricantes confirman esta sustitución potencialmente fácil, dice Gao. El material de partida básico, utilizado para otros fines, ya se ha ampliado para la producción, dice, y su precio es comparable al de los materiales que se utilizan actualmente en CF xpilas Es probable que el costo de las baterías que utilizan el nuevo material también sea comparable al de las baterías existentes, dice. El equipo ya solicitó una patente sobre el catolito, y esperan que las aplicaciones médicas sean probablemente las primeras en comercializarse, tal vez con un prototipo a gran escala listo para probar en dispositivos reales dentro de aproximadamente un año.

Más adelante, es probable que otras aplicaciones también puedan aprovechar los nuevos materiales, como medidores inteligentes de agua o gas que se pueden leer de forma remota, o dispositivos como los transpondedores EZPass, lo que aumenta su vida útil, dicen los investigadores. La energía para aviones no tripulados o vehículos submarinos requeriría una mayor potencia y, por lo tanto, puede llevar más tiempo desarrollarla. Otros usos podrían incluir baterías para equipos utilizados en sitios remotos, como plataformas de perforación de petróleo y gas, incluidos dispositivos enviados a los pozos para monitorear las condiciones

El equipo también incluyó a Gustavo Hobold, Aaron Melemed y Rui Guo en MIT y Simon Jones en Caltech. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio Lincoln del MIT y la Oficina de Investigación del Ejército.

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