Con baterías diminutas, los investigadores esperan alimentar computadoras cada vez más pequeñas y potenciar el Internet de las cosas y la computación ubicua.

Hubo un tiempo en que las computadoras más avanzadas del mundo ocupaban habitaciones enteras. Ahora llevamos teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos en nuestros bolsillos.

“La tasa de miniaturización [for computers] unas 100 veces por década”, escribe un equipo de expertos dirigido por Oliver Schmidt de la Universidad Tecnológica de Chemnitz. “Los avances en microelectrónica han permitido el uso de computadoras miniaturizadas […] del tamaño de una partícula de polvo de menos de un milímetro cuadrado de diámetro y unos pocos cientos de micrones de espesor, creando un entorno para la computación ubicua”.

La idea de la computación ubicua o omnipresente es bastante emocionante. Es un concepto creciente en la ingeniería de software que implica la incorporación de microprocesadores en objetos cotidianos para permitirles realizar diversas tareas. Esto tendrá numerosas implicaciones para el desarrollo futuro de la Internet de las cosas, los implantes médicos miniaturizados, los sistemas microrobóticos y la electrónica ultraflexible.

Pero el campo se topa con un obstáculo, ya que hay una desconexión entre estas pequeñas computadoras y la disponibilidad de baterías lo suficientemente pequeñas como para caber y alimentarlas. La clave radica en el desarrollo de recolectores y almacenamiento de energía submilimétrica, un problema en el que están trabajando investigadores de todo el mundo, incluido Schmidt..

Las baterías tradicionales a macroescala son difíciles de miniaturizar porque dependen de la «química húmeda», en la que los electrodos, los electrolitos y los aditivos generalmente se convierten en una suspensión y se recubren sobre una lámina metálica. Las microbaterías se pueden hacer de esta manera, dicen los investigadores, y hay ejemplos con densidades de potencia y energía decentes, pero no se pueden hacer lo suficientemente pequeñas porque los electrolitos líquidos simplemente no son viables a ninguna escala determinada.

Una solución podría ser baterías de estado sólido basadas en capas apiladas de películas delgadas. En 2019, Schmidt y sus colaboradores se propusieron desarrollar la batería más pequeña del mundo con un sistema de capas, en el que se une un electrolito sólido entre dos electrodos de película delgada.

Baterías minúsculas del «Swiss Roll»

Debido a que los electrolitos sólidos son menos eficientes que sus contrapartes líquidas, el equipo usó una técnica de microorigami llamada «Swiss Roll» para reducir el tamaño de la batería y aumentar su rendimiento, un proceso similar al que usó Tesla para las baterías que usan su energía eléctrica. carros.

Lograr el diseño Swiss-Roll en un chip a través de procesos de microfabricación es extremadamente difícil, pero el uso del autoensamblaje en chip logrado a través de microorigami permitió al equipo lograr su objetivo, lo que resultó en una batería cilíndrica con un área de 0,04 milímetros cuadrados y con una capacidad ocho veces superior a la de una batería descargada del mismo tamaño.

La idea se basa en una tensión inherente al sistema, que se traduce en un enrollamiento automático en sí mismo. Al apilar capas sucesivas de polímeros, metales y materiales dieléctricos (componentes de la batería) en una superficie de chip de oblea, puede imponer una arquitectura similar al rollo suizo fijando un lado de los materiales delgados y luego el voltaje a resolver.

«Por lo tanto, no se requieren fuerzas externas para producir una microbatería cilíndrica autoenrollada», dijo el equipo en un comunicado. “El proceso es compatible con las tecnologías de fabricación de chips establecidas y es capaz de producir microbaterías de alto rendimiento en una superficie de oblea. «

Las microbaterías recargables resultantes podrían alimentar pequeños chips de computadora del tamaño de polvo durante unas diez horas. Un primer paso emocionante, pero aún queda mucho por hacer. «Todavía hay un gran potencial para la optimización de esta tecnología, y podemos esperar micro baterías significativamente más potentes en el futuro», dice Schmidt.

Referencia: Fei Li, et al., Flexi autoensambladoSupercondensadores asimétricos microtubulares 3D integrables y flexibles, Advanced Science (2019). DOI: 10.1002/adv.201901051

Yang Li, et al., Baterías en chip para computadoras del tamaño de polvo, Advanced Energy Materials (2022). DOI: 10.1002/aenm.202103641

Crédito de la imagen de la característica: Niek Doup Unsplash

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