Traducir el rendimiento electroquímico de baterías de gran formato a fuentes de energía a microescala ha sido un desafío tecnológico de larga data, que limita la capacidad de las baterías para alimentar microdispositivos, microrobots y dispositivos médicos implantables. Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han creado una microbatería de alto voltaje (> 9 V), con alta energía y densidad de potencia, sin precedentes en ningún diseño de batería existente.
El profesor de ingeniería y ciencia de materiales Paul Braun (cátedra distinguida de Grainger en ingeniería, director del laboratorio de investigación de materiales), el Dr. Sungbong Kim (postdoctorado, MatSE, actual profesor asistente en la Academia Militar de Corea, coautor principal) y Arghya Patra (estudiante de posgrado, MatSE, MRL, co-primer autor) publicó recientemente su artículo « Baterías en miniatura de alto voltaje y alta potencia integradas en serie » en Cell Reports Physical Science.
El equipo demostró baterías de litio herméticamente selladas (herméticamente cerradas para evitar la exposición al aire ambiente), duraderas y compactas con una fracción de masa de paquete excepcionalmente baja en configuraciones de apilamiento simple, doble y triple con voltajes operativos sin precedentes, densidades de alta potencia y densidades de energía.
Braun explica : « Necesitamos baterías diminutas y potentes para desbloquear todo el potencial de los dispositivos a microescala, mejorando las arquitecturas de los electrodos y creando diseños innovadores de baterías ». El problema es que a medida que las baterías se vuelven más pequeñas, el empaque domina el volumen y la masa de la batería, mientras que el área del electrodo se vuelve más pequeña. Esto da como resultado reducciones drásticas en la energía y potencia de la batería.
En su diseño exclusivo de potentes microbaterías, el equipo desarrolló una tecnología de empaque novedosa que utilizaba los colectores de corriente de terminal positivo y negativo como parte del empaque mismo (en lugar de una entidad separada). Esto permitió el volumen compacto (? 0,165 cm3) y la fracción de masa del paquete baja (10,2%) de las baterías. Además, apilaron verticalmente las celdas de los electrodos en serie (de modo que se suma el voltaje de cada celda), lo que permitió el alto voltaje operativo de la batería.
Otra forma en que se mejoran estas microbaterías es mediante el uso de electrodos muy densos que ofrecen densidad de energía. Los electrodos normales están ocupados casi en un 40% por volumen por polímeros y aditivos de carbono (no materiales activos). El grupo de Braun ha desarrollado electrodos mediante una técnica de electrodeposición directa a temperatura intermedia que son completamente densos y sin aditivos de polímeros y carbono. Estos electrodos completamente densos ofrecen más densidad de energía volumétrica que sus contrapartes comerciales. Las microbaterías de esta investigación se fabricaron utilizando electrodos DirectPlateTM LiCoO2 electrochapados densos fabricados por Xerion Advanced Battery Corporation (XABC, Dayton, Ohio), una empresa que surgió de la investigación de Braun.
Patra menciona : « Hasta la fecha, las arquitecturas de electrodos y los diseños de celdas en la escala micro-nano se han limitado a diseños densos de energía que tenían el costo de la porosidad y la densidad de energía volumétrica. Nuestro trabajo ha tenido éxito para crear una fuente de energía de microescala que exhibe tanto de alta densidad de potencia como de densidad de energía volumétrica ».
Un espacio de aplicación importante de estas microbaterías incluye la alimentación de microrobots del tamaño de un insecto para obtener información valiosa durante desastres naturales, misiones de búsqueda y rescate, y en entornos peligrosos donde el acceso humano directo es imposible. El coautor James Pikul (Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, Universidad de Pensilvania) señala que « el alto voltaje es importante para reducir la carga útil electrónica que necesita transportar un microrobot. 9 V pueden alimentar motores directamente y reducir la pérdida de energía asociada con aumentar el voltaje a los cientos o miles de voltios necesarios de algunos actuadores. Esto significa que estas baterías permiten mejoras a nivel del sistema más allá de su mejora de la densidad de energía para que los pequeños robots puedan viajar más lejos o enviar información más crítica a los operadores humanos.. »
Kim agrega : « Nuestro trabajo cierra la brecha de conocimiento en la intersección de la química de materiales, los requisitos de fabricación de materiales únicos para configuraciones de microbaterías planas densas en energía y la nanomicroelectrónica aplicada que requiere una fuente de alimentación de tipo integrado de alto voltaje para impulsar microaccionadores y micromotores ».
Braun, un pionero en el campo de la miniaturización de baterías, concluye : « Nuestro diseño de microbatería actual es muy adecuado para aplicaciones de alta energía, alta potencia, alto voltaje y descarga única. El siguiente paso es traducir el diseño a todos plataformas de microbaterías de estado sólido, baterías que serían inherentemente más seguras y más densas en energía que sus contrapartes de celda líquida ».
Otros contribuyentes a este trabajo incluyen al Dr. James H. Pikul (Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, Universidad de Pensilvania), Dr. John B. Cook (XABC), Dr. Ryan Kohlmeyer (XABC), Dr. Beniamin Zahiri (Profesor Asistente de Investigación, MRL, UIUC) y Dr. Pengcheng Sun (Científico Investigador, MRL, UIUC).