Introducción
El Internet de las cosas (IoT) se basa en la recogida continua de datos de una red de sensores a lo largo del tiempo. Mientras que algunos sensores pueden estar cableados, otros deben estar alejados de una red eléctrica y deben ser capaces de recoger y transmitir sus datos de forma inalámbrica.
Estos sensores inalámbricos necesitan una fuente de energía fiable que pueda permanecer operativa durante largos periodos de tiempo, idealmente durante varios años. Dicha fuente de energía debe ser de bajo coste, compacta y capaz de encajar en el factor de forma del sensor.
Las fuentes de energía para los sensores inalámbricos del IoT suelen basarse en baterías voluminosas y no recargables o en sistemas de recolección de energía que dependen de fuentes de energía intermitentes como la luz, la variación de la presión o la variación de la temperatura.
Las baterías recargables combinadas con un recolector de energía de este tipo serían muy atractivas en este contexto para compensar tanto la descarga de la batería con el tiempo como la naturaleza irregular del recolector de energía. Las baterías impresas ofrecen varias ventajas, como la flexibilidad mecánica, las dimensiones compactas y los bajos costes de producción.
En el pasado, varias empresas han producido y vendido baterías impresas, pero hasta ahora no se había comercializado ninguna solución de batería impresa recargable. En este artículo presentamos una novedosa solución de batería impresa que aborda directamente este reto. Hablaremos de su estructura, función, especificaciones y de las múltiples aplicaciones posibles que prevemos para las baterías impresas recargables.
Baterías impresas
La electrónica impresa es un método de producción innovador que ofrece numerosas ventajas. Es sencillo, rentable y respetuoso con el medio ambiente. Los componentes se imprimen con tintas orgánicas hechas de polímeros solubles y dispersiones de partículas. Los procesos de impresión, como la inyección de tinta o la serigrafía, permiten una producción de gran volumen a bajo coste.
Se pueden elegir y formular diferentes materiales, como metales, semiconductores o dieléctricos, como tintas imprimibles, lo que permite lograr una variedad de funciones diferentes. Estas tintas pueden imprimirse a gran escala, depositarse en una variedad de sustratos flexibles o rígidos a temperaturas relativamente bajas, y posteriormente integrarse en muchos productos industriales o de consumo. La electrónica impresa es una tecnología ideal para la fabricación de sensores en sustratos flexibles. Esto permite utilizarlos con gran eficacia en situaciones en las que no hay espacio para los sensores convencionales.
La misma tecnología de impresión puede aplicarse a la producción de baterías. Sin embargo, sólo recientemente se han podido imprimir baterías recargables. Esta innovadora tecnología de baterías imprimibles ha sido desarrollada por Evonik en colaboración con InnovationLab. La tecnología se llama TAeTTOOz y ha sido adquirida por InnovationLab para su ampliación y producción en masa.
Cómo funciona
Esta tecnología de baterías impresas recargables de última generación se basa en polímeros redox y los métodos de impresión convencionales pueden utilizarse para producir baterías delgadas y flexibles que pueden almacenar energía eléctrica sin necesidad de metales o compuestos metálicos en su sistema de almacenamiento. Y lo que es más importante, las celdas de las baterías producidas con la tecnología TAeTTOOz no necesitan un electrolito líquido para funcionar, lo que elimina intrínsecamente el riesgo de fugas y los consiguientes peligros.
En las baterías de iones de litio convencionales (figura 1, izquierda), sólo los pequeños cationes Li+ entran y salen de los electrodos a ambos lados de la batería en un proceso conocido como "intercalación". Una batería basada en polímeros funciona de forma diferente (Figura 1, derecha). Aquí, tanto los aniones como los cationes se mueven dentro del electrolito durante el ciclo.
Figura 1: Comparación de los principios de funcionamiento de las baterías de iones de litio convencionales (izquierda) y de las baterías TAeTTOOz (derecha).
La tecnología de las baterías de polímeros se basa en moléculas orgánicas redox (polímeros) cuyos estados redox pueden cambiarse de forma reversible durante las fases de carga y descarga. En esencia, esto significa que el polímero redox puede sufrir tanto una pérdida de electrones (oxidación) como una ganancia de electrones (reducción), siendo ambos procesos reversibles.
Las baterías TAeTTOOz tienen dos materiales conductores basados en polímeros que se utilizan como cátodo y ánodo dentro de la batería, y un tercer material iónico que funciona como electrolito de estado sólido (Figura 2). Los materiales del cátodo y del ánodo están optimizados para almacenar químicamente las cargas eléctricas suministradas por una fuente de energía externa. Esto se consigue mediante un cambio de su estado redox bajo una tensión de carga determinada durante el proceso de carga.
Figura 2: Ejemplo de estructura 3D de una batería recargable impresa.
Cuando se aplica una tensión de descarga, el estado redox inicial se restablece de forma reversible y se puede extraer energía de la batería. El electrolito de estado sólido garantiza la compensación de la carga eléctrica en la batería mediante la movilidad iónica.
Producción
Las tintas son de base acuosa y pueden formularse para satisfacer las necesidades específicas de los clientes, y no requieren el uso de disolventes tóxicos o CMR (cancerígenos, mutagénicos o tóxicos para la reproducción). Debido a la naturaleza no tóxica de estas tintas orgánicas, los productos impresos son compatibles con los residuos comunes: Baterías recargables que son desechables.
Para ajustarse a las necesidades específicas de impresión, estas tintas se caracterizan en términos de tamaño de partícula, estabilidad y reología (es decir, características de flujo). La combinación de estas tintas con trazos conductores impresos en un sustrato permite imprimir tanto las baterías como los circuitos de carga y descarga asociados en un número relativamente pequeño de pasos de impresión. Entre los sustratos flexibles que pueden utilizarse están las láminas de poliimida (PI), poliésteres (PET, PEN) o poliuretanos termoplásticos (TPU).
Debido al interesante hecho de que la batería no mantiene ninguna tensión antes de su primera carga, los procesos de producción posteriores, como la recogida y la colocación de componentes, son posibles sin riesgo de que se produzcan daños por sobretensión. Estas baterías pueden imprimirse de "principio a fin" en prensas de serigrafía estándar, ya sea en modo de producción continua de rollo a rollo o en modo de hoja a hoja.
Las dimensiones laterales de las baterías impresas suelen oscilar entre 1 y 20 cm, y el grosor total no supera los 0,5 mm. Por supuesto, estas pilas también pueden apilarse, plegarse o enrollarse para diseñar objetos 3D que se integren en los sistemas existentes.
El uso de técnicas de impresión universales permite fabricar baterías personalizadas de diferentes tamaños. El tamaño de las pilas impresas puede variar desde unos pocos cm² hasta varios m², con ciertas limitaciones de rendimiento en el caso de los tamaños extremos.
Aplicaciones y personalización
Una de las principales aplicaciones de la tecnología de baterías TAeTTOOz es su combinación con un sensor o conjunto de sensores acoplado a uno de los diversos componentes de recolección de energía para crear una unidad totalmente autónoma y autoalimentada para aplicaciones de IoT. El mismo principio puede utilizarse en la señalización u otros dispositivos similares.
Se están llevando a cabo varios proyectos de "unidades sensoriales autónomas autoalimentadas" con nuestros clientes y socios, tanto de la industria como del mundo académico, en los que se combina una batería recargable impresa con un sensor de temperatura o de humedad con una célula solar, una antena de recolección de RF impresa o un material piezoeléctrico. Este concepto tecnológico ya se ha aplicado con éxito y se ha probado con el uso de células solares fotovoltaicas orgánicas impresas (OPV).
Las especificaciones técnicas de las baterías vienen definidas por la disposición elegida. Normalmente se consiguen capacidades de batería de 0,1 a 0,2 mAh/cm² a una tensión de funcionamiento de 1,2 V. La capacidad y la tensión mencionadas determinan las aplicaciones a las que se destinan. Obviamente, son demasiado bajos para alimentar LEDs brillantes o calentadores, pero son óptimos para aplicaciones de baja potencia, como la alimentación de sensores en etiquetas y parches inteligentes.
Gracias al proceso de serigrafía, hay plena libertad de diseño de las células (Figura 3), con diseños verticales o coplanares totalmente posibles. Para conseguir tensiones más altas, la tecnología de impresión permite conectar varias células en serie (figura 3, derecha). Por ejemplo, conectando dos células en serie se obtienen 2,4 V. El número de pasos de impresión se mantiene constante para un diseño coplanar y aumenta en los diseños apilados verticalmente.
Figura 3: Libertad de diseño que ofrece la serigrafía ilustrada por un diseño fractal de Peano (izquierda), y un diseño de batería de doble celda (derecha) en el que dos celdas de la batería están conectadas en serie.
Fiabilidad y características generales
Hasta ahora, estas baterías se han utilizado principalmente en instalaciones de demostración y con fines de I+D. Ahora las baterías se han caracterizado completamente en cuanto a su rendimiento en diversas condiciones de carga, con mediciones de autodescarga y cíclicas. La capacidad de la batería alcanzada se acerca al máximo teórico que se puede conseguir con los materiales utilizados; actualmente, se sitúa entre el 70% y el 80% de las baterías impresas.
El rendimiento y la fiabilidad de las baterías impresas dependen de multitud de factores, como la geometría de impresión, la máquina de impresión utilizada, el grosor y la fiabilidad de la capa impresa resultante, la configuración de la batería, el sustrato, el encapsulado, etc.
La estabilidad de los ciclos de los materiales del ánodo y el cátodo supera los 500 ciclos para una retención de la capacidad superior al 80 %, cuando se utilizan como materiales individuales en baterías de botón. La estabilidad a largo plazo depende fundamentalmente de la tecnología de encapsulación utilizada. InnovationLab proporcionará más información en breve, una vez completada la transferencia de tecnología de Evonik.
Conclusiónc
Las baterías impresas son delgadas, ligeras y flexibles. Pueden proporcionar una solución rentable para los sensores industriales inalámbricos y otras aplicaciones de IoT. La nueva tecnología TAeTTOOz permite imprimir baterías de estado sólido flexibles y recargables a escala industrial, con Heidelberg Printed Electronics como socio de fabricación de InnovationLabs. Estas baterías impresas son también notablemente más seguras y respetuosas con el medio ambiente que las baterías tradicionales de base metálica.
En breve, InnovationLab suministrará tanto los materiales de impresión como los conocimientos técnicos para el diseño, la impresión y la caracterización de las baterías impresas. La empresa también producirá y venderá su propia gama de baterías impresas a sus clientes, lo que permitirá el diseño y uso de baterías recargables impresas en toda la industria.
Sobre nosotros
InnovationLab es el experto en electrónica impresa y orgánica, con especial atención a los sensores de presión impresos flexibles. Proporcionamos soluciones de impresión a medida para los retos de I+D de nuestros clientes. Nuestra experiencia se basa en un sólido conocimiento de los materiales, los procesos y las tecnologías de impresión que son esenciales para el desarrollo de sistemas electrónicos flexibles e híbridos. Junto con nuestros socios del mundo académico y de la industria, como BASF SE, SAP SE, Heidelberger Druckmaschinen AG, el Instituto Tecnológico de Karlsruhe y la Universidad de Heidelberg, ampliamos continuamente nuestra cartera de productos en el ámbito de la electrónica impresa. Nuestro equipo de gestión del clúster coordina la ágil comunidad, formada por socios in situ y en la red ampliada.
Ofrecemos servicios en el ámbito de la investigación y el desarrollo, la producción piloto e industrial, así como el asesoramiento y la gestión de instalaciones. El objetivo principal es acompañar a los clientes desde su primera idea hasta la producción industrial de su producto, desde el LAB-2-FAB. Somos capaces de asumir cualquier fase de desarrollo y llevar los productos de nuestros clientes al éxito de acuerdo con sus necesidades individuales.
Para la producción industrial, tenemos un socio fuerte a nuestro lado en Heidelberger Druckmaschinen AG, que imprime sensores en 3 turnos en su centro de producción [This is automatically translated from English]