Siguiendo la técnica de fabricación de las baterías de Tesla, un equipo de investigación ha creado una batería del tamaño de una mota de polvo

El infinito mundo del Internet de las cosas y el uso de la robótica en la medicina demandan la creación de diminutos ordenadores, casi invisibles al ojo humano. A esto se le conoce como polvo inteligente y a su vez, depende del diseño de baterías minúsculas. No obstante, este último campo está menos explorado como reclaman dos investigadores de la Universidad Tecnológica de Chemnitz, creadores de la batería más pequeña del mundo.

Ordenadores, sensores y robots del tamaño de un grano de sal son la oportunidad para muchos campos de estudio, como la monitorización cerebral o el análisis de insectos. El problema es que la evolución de estos dispositivos se está viendo mermada por la falta opciones de almacenamiento eficientes y de dimensiones similares. Esto es lo que pretende solucionar este equipo de investigadores.

El Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, director de la Cátedra de Sistemas de Materiales de Nanoelectrónica, y el Dr. Minshen Zhu, describen en la revista Advanced Energy Materials este problema y la creación de una microbatería recargable capaz de alimentar durante diez horas a un chip de tamaño similar. Es la batería más pequeña del mundo y la han creado de forma similar al proceso de fabricación de las baterías de Tesla.

Micro-origami o Swiss-roll

A mediados del año pasado presentaron un biosupercondensador, un dispositivo de almacenamiento de energía que ocupa menos de un grano de polvo y se puede introducir en fluidos como la sangre. Este sistema cuenta con un nivel de potencia equivalente al voltaje de una batería AAA estándar, «aunque el flujo de corriente real en estas escalas más pequeñas es, por supuesto, significativamente menor», explican. Ahora se basan en la tecnología de Tesla para alimentar a la tecnología más enana que existe.

El objetivo del equipo era diseñar una batería significativamente menor a un milímetro cuadrado e integrable en un chip, que todavía tiene una densidad de energía mínima de 100 microvatios hora por centímetro cuadrado. Para conseguir esto recurrieron a un proceso conocido como Swiss-Roll o micro-origami que Tesla utiliza en la fabricación de sus baterías a gran escala.

Se crea un sistema de capas con tensión inherente al recubrir consecutivamente capas delgadas de materiales poliméricos, metálicos y dieléctricos sobre la superficie de una oblea, «una batería es esencialmente un sándwich de muchas capas», dicen. La tensión mecánica se libera al despegar las capas delgadas, que luego se cierran automáticamente para enrollarse en una arquitectura Swiss-Roll.

El método es compatible con las tecnologías de fabricación de chips actuales y es capaz de producir microbaterías de alto rendimiento en una superficie de oblea. A escalas más grandes, el proceso se hace a mano o mediante una máquina de bobina para los procesos industriales, pero en las escalas milimétricas, se utiliza el ensamblaje, es decir, hacer que las películas delgadas se enrollen por sí mismas acumulando y liberando tensión.

La microbatería recargable es capaz de alimentar a ese minúsculo chip durante diez horas. Los investigadores ponen como ejemplo el uso de este dispositivo en un sensor que pueda medir la temperatura ambiente de forma continua, la batería le otorgaría hasta horas de autonomía. «Nuestros resultados muestran un rendimiento de almacenamiento de energía alentador en la escala submilimétrica», dice el Dr. Minshen Zhu

Como un ácaro

Microbaterías como esta servirán de fuentes de alimentación a los procesadores y robots más pequeños, aquellos que ni si quiera el ser humano podrá detectar a simple vista, pero que muchas personas acabarán llevando implantados en su cuerpo. En 2021, ingenieros de la Universidad de Columbia desarrollaron un chip de solo 0,1 milímetros cúbicos de volumen, como un ácaro de polvo.

Sin un microscopio sería difícil encontrar este dispositivo que puede medir la temperatura corporal al implantarse bajo la piel. Esta es la revolución que dibuja en los próximos años la tecnología Smart Dust o polvo inteligente y para la que es necesario encontrar a su pareja ideal en forma de batería.

Algo más grandes son los robots de 2 milímetros de tamaño del Instituto de Tecnología de Georgia. Más delgados que una moneda, estos robots se mueven por vibraciones, uno de los recursos más comunes para alimentar con energía al polvo junto con el uso de células fotovoltaicas.

Schmidt y Zhu descartan esas alternativas por no estar disponibles en todo momento y lugar, debajo de la piel no hay luz, por ejemplo. Son las llamadas técnicas de recolección, que usan elementos del entorno como fuente de energía, pero presentan ciertas desventajas, como los microgeneradores termoeléctricos, «convierten el calor en electricidad, pero su potencia de salida es demasiado baja para impulsar chips del tamaño de polvo» explican.

También descartan las baterías compactas con alta densidad de energía, como las pilas de botón que se fabrican con química húmeda. Aseguran que «pueden proporcionar buena energía y densidad de potencia, pero tienen una huella significativamente superior a un milímetro cuadrado».

Fuente: elespanol.com