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 energÃa fiable que pueda permanecer operativa durante largos periodos de tiempo, idealmente durante varios años. Dicha fuente de energÃa debe ser de bajo coste, compacta y capaz de encajar en el factor de forma del sensor.
Las fuentes de energÃa para los sensores inalámbricos del IoT suelen basarse en baterÃas voluminosas y no recargables o en sistemas de recolección de energÃa que dependen de fuentes de energÃa intermitentes como la luz, la variación de la presión o la variación de la temperatura.
Las baterÃas recargables combinadas con un recolector de energÃa de este tipo serÃan muy atractivas en este contexto para compensar tanto la descarga de la baterÃa con el tiempo como la naturaleza irregular del recolector de energÃa. Las baterÃas 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 baterÃas impresas, pero hasta ahora no se habÃa comercializado ninguna solución de baterÃa impresa recargable. En este artÃculo presentamos una novedosa solución de baterÃa impresa que aborda directamente este reto. Hablaremos de su estructura, función, especificaciones y de las múltiples aplicaciones posibles que prevemos para las baterÃas impresas recargables.
BaterÃas 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 polÃmeros solubles y dispersiones de partÃculas. Los procesos de impresión, como la inyección de tinta o la serigrafÃa, 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 rÃgidos a temperaturas relativamente bajas, y posteriormente integrarse en muchos productos industriales o de consumo. La electrónica impresa es una tecnologÃa 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 tecnologÃa de impresión puede aplicarse a la producción de baterÃas. Sin embargo, sólo recientemente se han podido imprimir baterÃas recargables. Esta innovadora tecnologÃa de baterÃas imprimibles ha sido desarrollada por Evonik en colaboración con InnovationLab. La tecnologÃa se llama TAeTTOOz y ha sido adquirida por InnovationLab para su ampliación y producción en masa.
Cómo funciona
Esta tecnologÃa de baterÃas impresas recargables de última generación se basa en polÃmeros redox y los métodos de impresión convencionales pueden utilizarse para producir baterÃas delgadas y flexibles que pueden almacenar energÃa eléctrica sin necesidad de metales o compuestos metálicos en su sistema de almacenamiento. Y lo que es más importante, las celdas de las baterÃas producidas con la tecnologÃa TAeTTOOz no necesitan un electrolito lÃquido para funcionar, lo que elimina intrÃnsecamente el riesgo de fugas y los consiguientes peligros.
En las baterÃas de iones de litio convencionales (figura 1, izquierda), sólo los pequeños cationes Li+ entran y salen de los electrodos a ambos lados de la baterÃa en un proceso conocido como "intercalación". Una baterÃa basada en polÃmeros funciona de forma diferente (Figura 1, derecha). AquÃ, tanto los aniones como los cationes se mueven dentro del electrolito durante el ciclo.
Figura 1: Comparación de los principios de funcionamiento de las baterÃas de iones de litio convencionales (izquierda) y de las baterÃas TAeTTOOz (derecha).
La tecnologÃa de las baterÃas de polÃmeros se basa en moléculas orgánicas redox (polÃmeros) cuyos estados redox pueden cambiarse de forma reversible durante las fases de carga y descarga. En esencia, esto significa que el polÃmero redox puede sufrir tanto una pérdida de electrones (oxidación) como una ganancia de electrones (reducción), siendo ambos procesos reversibles.
Las baterÃas TAeTTOOz tienen dos materiales conductores basados en polÃmeros que se utilizan como cátodo y ánodo dentro de la baterÃa, 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 quÃmicamente las cargas eléctricas suministradas por una fuente de energÃa 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 baterÃa recargable impresa.
Cuando se aplica una tensión de descarga, el estado redox inicial se restablece de forma reversible y se puede extraer energÃa de la baterÃa. El electrolito de estado sólido garantiza la compensación de la carga eléctrica en la baterÃa mediante la movilidad iónica.
Producción
Las tintas son de base acuosa y pueden formularse para satisfacer las necesidades especÃficas de los clientes, y no requieren el uso de disolventes tóxicos o CMR (cancerÃgenos, 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: BaterÃas recargables que son desechables.
Para ajustarse a las necesidades especÃficas de impresión, estas tintas se caracterizan en términos de tamaño de partÃcula, estabilidad y reologÃa (es decir, caracterÃsticas de flujo). La combinación de estas tintas con trazos conductores impresos en un sustrato permite imprimir tanto las baterÃas 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 baterÃa 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 baterÃas pueden imprimirse de "principio a fin" en prensas de serigrafÃa estándar, ya sea en modo de producción continua de rollo a rollo o en modo de hoja a hoja.
Las dimensiones laterales de las baterÃas 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 baterÃas 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 tecnologÃa de baterÃas TAeTTOOz es su combinación con un sensor o conjunto de sensores acoplado a uno de los diversos componentes de recolección de energÃa 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 baterÃa 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 baterÃas vienen definidas por la disposición elegida. Normalmente se consiguen capacidades de baterÃa 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 serigrafÃa, hay plena libertad de diseño de las células (Figura 3), con diseños verticales o coplanares totalmente posibles. Para conseguir tensiones más altas, la tecnologÃa 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 serigrafÃa ilustrada por un diseño fractal de Peano (izquierda), y un diseño de baterÃa de doble celda (derecha) en el que dos celdas de la baterÃa están conectadas en serie.
Fiabilidad y caracterÃsticas generales
Hasta ahora, estas baterÃas se han utilizado principalmente en instalaciones de demostración y con fines de I+D. Ahora las baterÃas se han caracterizado completamente en cuanto a su rendimiento en diversas condiciones de carga, con mediciones de autodescarga y cÃclicas. La capacidad de la baterÃa 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 baterÃas impresas.
El rendimiento y la fiabilidad de las baterÃas impresas dependen de multitud de factores, como la geometrÃa de impresión, la máquina de impresión utilizada, el grosor y la fiabilidad de la capa impresa resultante, la configuración de la baterÃa, 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 baterÃas de botón. La estabilidad a largo plazo depende fundamentalmente de la tecnologÃa de encapsulación utilizada. InnovationLab proporcionará más información en breve, una vez completada la transferencia de tecnologÃa de Evonik.
Conclusiónc
Las baterÃas impresas son delgadas, ligeras y flexibles. Pueden proporcionar una solución rentable para los sensores industriales inalámbricos y otras aplicaciones de IoT. La nueva tecnologÃa TAeTTOOz permite imprimir baterÃas de estado sólido flexibles y recargables a escala industrial, con Heidelberg Printed Electronics como socio de fabricación de InnovationLabs. Estas baterÃas impresas son también notablemente más seguras y respetuosas con el medio ambiente que las baterÃas 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 baterÃas impresas. La empresa también producirá y venderá su propia gama de baterÃas impresas a sus clientes, lo que permitirá el diseño y uso de baterÃas 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 tecnologÃas de impresión que son esenciales para el desarrollo de sistemas electrónicos flexibles e hÃbridos. 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, asà 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]