Batería de iones de litio totalmente elástica

Tradicionalmente, las baterías han sido rígidas. Sin embargo, las baterías necesitan elasticidad para incorporarse a dispositivos electrónicos flexibles, que están ganando terreno en el campo de los monitores de salud portátiles.

Un equipo integrado, entre otros, por Wen-Yong Lai y Shijun Xiao, de la Universidad de Correos y Telecomunicaciones de Nankín en China, han creado una batería de iones de litio con componentes totalmente extensibles, incluida una capa de electrolito que puede expandirse un 5000%, y que conserva su capacidad de almacenamiento de carga después de casi 70 ciclos de carga y descarga.

Los dispositivos electrónicos que se doblan y se estiran precisan baterías con propiedades similares. La mayoría de los investigadores que han intentado diseñar este tipo de baterías las han creado con tejidos conductores o componentes rígidos plegados en formas extensibles. Pero para que una batería sea realmente maleable, todas sus piezas (los electrodos que captan la carga y la capa intermedia de electrolito que equilibra la carga) deben ser elásticas.

Hasta ahora, los prototipos de baterías realmente elásticas han tenido una elasticidad moderada, procesos de montaje complejos o una capacidad limitada de almacenamiento de energía, sobre todo, con el paso del tiempo y las reiteradas cargas y descargas. Esto último puede deberse a una conexión débil entre la capa de electrolito y los electrodos o a la inestabilidad del electrolito fluido, que puede desplazarse cuando la batería cambia de forma.

Por lo tanto, en lugar de utilizar un líquido, Wen-Yong Lai y sus colaboradores se propusieron incorporar el electrolito a una capa de polímero fundida entre dos películas de electrodos flexibles para crear una batería completamente sólida pero elástica.

Para fabricar los electrodos de la batería completamente elástica, el equipo extendió una fina película de pasta conductora que contenía, entre otros componentes, nanocables de plata, así como materiales catódicos o anódicos a base de litio sobre una placa.

Posteriormente, se aplicó sobre la pasta una capa de polidimetilsiloxano, un material flexible que suele utilizarse en lentes de contacto.

Directamente encima de esta película, los investigadores añadieron una sal de litio, un líquido altamente conductor y los ingredientes para fabricar un polímero elástico.

Cuando estos componentes se activaron con la luz, se combinaron para formar una capa sólida y gomosa capaz de estirarse hasta un 5000% de su longitud original y transportar iones de litio. Por último, se cubrió la pila con otra película de electrodos y se selló todo el dispositivo con una capa protectora.

Demostración de la elasticidad de la nueva batería de iones de litio. (Fotos: adaptadas de ACS Energy Letters 2024, DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01254)

Al comparar el diseño de la batería elástica sólida con un dispositivo similar con un electrolito líquido tradicional, la nueva versión tenía una capacidad de carga promedio unas seis veces superior a una velocidad de carga rápida. Del mismo modo, la batería sólida mantuvo una capacidad más estable durante 67 ciclos de carga y descarga. En otros prototipos fabricados con electrodos sólidos, el electrolito de polímero mantuvo un funcionamiento estable durante más de 1000 ciclos con una caída de la capacidad del 1% en los primeros 30 ciclos, en comparación con la caída del 16% del electrolito líquido. Aún quedan mejoras por hacer, pero esta nueva forma de fabricar baterías sólidas totalmente extensibles podría ser un avance prometedor para los dispositivos portátiles o implantables que se flexionan y se mueven con el cuerpo.

Wen-Yong Lai y sus colegas exponen los detalles técnicos de su batería de iones de litio elástica en la revista académica ACS Energy Letters, bajo el título “Elastic Polymer Electrolytes Integrated with In Situ Polymerization-Transferred Electrodes toward Stretchable Batteries”. (Fuente: American Chemical Society)