Baterías flexibles con forma de cable

La tecnología ha avanzado una barbaridad desde que en la segunda mitad del siglo XX se comenzaran a desarrollar los ordenadores tal y como los conocemos hoy en día. El proceso de miniaturización de componentes nos obliga en cada paso a querer hacer las cosas más y más pequeñas, y así ha sido para todos los componentes electrónicos, excepto uno: la batería. Si bien es cierto que las baterías han recibido mejoras importantes y han aparecido de nuevas clases y se pueden fabricar de diversos voltajes, las mejoras son minúsculas comparadas con los avances que han tenido lugar en los microprocesadores o las pantallas, por poder dos ejemplos básicos.

Es por este motivo que existen numerosas empresas y grupos de I+D pelando por lograr mejorar la tecnología de funcionamiento de las baterías. En el caso que os quiero presentar hoy la protagonista es LG Chem (también conocida como LG Chemical), filial del grupo LG, pues ha dado un enorme paso adelante en la forma alimentar un dispositivo.

En su trabajo publicado en Advanced Materials hace poco más de un mes describen la fabricación y el funcionamiento de una batería flexible con forma de cable, basada en iones de litio. Las baterías actuales son algo estático que no puede doblarse ni sufrir grandes deformaciones, por lo que la aparición de este nuevo tipo de baterías abriría las puertas a toda una nueva generación de dispositivos que aprovecharan estas ventajas.

Dos consecuencias directas serían que las baterías dejarían de tener que colocarse necesariamente en el interior de los portátiles, las tabletas o los teléfonos, de modo que se podrían hacer mucho más finos. Y lo que sería mucho más interesante: en la mente de los diseñadores industriales podrían aparecer diseños de nuevos dispositivos completamente diferentes a los que conocemos actualmente. ¿Se os ocurre ya algún nuevo producto?

A) Corte lateral para ver las distintas capas. B) Corte transversal para ver el interior de la batería.

Estructura de la batería

Los elementos de los que está formado el cable se encuentran bien diferenciados y cada uno realiza su función en el conjunto. Haciendo un recorrido desde dentro hacia fuera tenemos:

A) Aleación estable con un 5,5% de níquel.
B) Aleación fracturada con un 23,9% de níquel.

• Hélice hueca de cables de cobre recubiertos de una aleación de estaño y níquel. Tiene un diámetro total de 1,2 mm y se sitúa en la parte más interna del cable, para actuar como ánodo de la batería. La hélice es hueca para facilitar el movimiento y permitir que el cable pueda doblarse. La aleación está escogida a conciencia ya que las aleaciones Ni-Sn permiten una capacidad aceptable y el aguante suficiente para soportar un buen número de ciclos. Esto en la teoría es muy sencillo, pero en la práctica la elección de la proporción correcta para trabajar complica mucho el asunto. Según las pruebas realizadas, los investigadores determinaron que la proporción idónea era la que contenía únicamente alrededor de un 5% de níquel. A mayor concentración de níquel mayor es el número de ciclos soportados, pero la flexibilidad disminuye y el material se vuelve más frágil al producirse pequeñas roturas, tal y como podemos ver en la imagen (B) que acompaña a estas líneas. Es decir, hay que llegar a un compromiso entre flexibilidad y número de ciclos.
• Separador de un polietileno (PET) modificado para poder aguantar las temperaturas de más de 100ºC que tienen lugar durante el proceso de fabricación. Su función simplemente es separar el interior hueco del cable de las capas exteriores. Su espesor es de tan solo 50 μm.
• Cable de aluminio de 200 μm de diámetro. Enrollado sobre el separador se encuentra este cable de aluminio cuya función es la de colector de corriente del cátodo, es decir sirve de borne positivo. Los cables de cobre del ánodo conforman el borne negativo.
• Compuesto de litio. Se trata de una lámina de LiCoO₂ que envuelve las capas internas y que actúa como cátodo de la batería. Su espesor puede estar entre los 100 y los 150 μm. Esta variable, junto al número de cables que conforman el ánodo helicoidal, son las que determinan la capacidad de almacenamiento eléctrico de la batería.
• Por último se coloca un aislante que empaqueta toda la batería y la protege del exterior. Son tubos de un material que responde al calor, de modo que al aplicar temperatura se contrae ejerciendo una gran fuerza. De esta forma se prensa la batería y queda bien protegida del exterior. El grosor puede ser del orden de 300 μm.

A pesar de que esa es toda la estructura de la batería, sus componentes no acaban aquí. Es necesario un elemento final: el electrolito. En la zona hueca creada por la estructura helicoidal del ánodo se inyecta un líquido en el que aparece el hexafluorofosfato de litio (LiPF₆), compuesto de uso común en las baterías de litio. Este electrolito aportará los iones libres necesarios para convertir el medio en conductor de la electricidad, y permitiendo por tanto que la batería funcione correctamente.

Funcionamiento

El elemento clave en esta nueva batería es la genial disposición de los cables que conforman la hélice interna (ánodo). Su estudiado diseño permite que el cable sea completamente flexible y no se produzcan problemas de funcionamiento. Gracias a su disposición y al hueco existente en su interior, al doblar el cable no se produce ninguno de los tres problemas básicos que dan lugar a errores cuando las baterías actuales se deforman: el desplazamiento de componentes, la rotura de contactos, y la creación de cortocircuitos. Sin embargo ésta no es la única ventaja, sino que los estudios realizados también indican una mejoría en gran medida de la capacidad de la batería y permite que los procesos de carga y descarga sean mucho más suaves.

Imágenes mediante microscopio óptico y de barrido (recuadro inferior) del ánodo hueco helicoidal.

Para estudiar de forma objetiva y precisa las condiciones de funcionamiento de la batería en un experimento de descarga y tensión simultánea se utilizó un dispositivo que producía cada 20 minutos una pequeña deformación. Así, midiendo continuamente la capacidad de la batería desde sus 4 V iniciales, se comprobó como la descarga de la misma no variaba al doblar el cable. Únicamente en una ocasión se produjo un pequeño salto de tan solo 0,03 V, que no supone un impedimento para poder afirmar que el funcionamiento es perfectamente estable ante esfuerzos mecánicos.

Los siguientes pasos serán estudiar el rendimiento de la batería ante esfuerzos cíclicos, así como la fatiga, para saber cuánto aguanta funcionando en condiciones óptimas. Obviamente también serán necesarios muchos estudios sobre seguridad para demostrar que su utilización es apta en los futuros dispositivos que quieran hacer uso de esta tecnología. Por el momento las pruebas realizadas son muy positivas: han sido capaces de iluminar un pantalla de LEDs de forma continuada a pesar de hacerle mil y una tropelías al cable, y de alimentar un iPod Shuffle colocando dos parejas de cables en serie, unidos dos a dos en paralelo.

Artículo original del estudio: Cable-Type Flexible Lithium Ion Battery Based on Hollow Multi-Helix Electrodes, Kwon Y.H. et al. Advanced Material, 2012. DOI: 10.1002/adma.201202196.