Los aparatos electrónicos flexibles y elásticos servirán para seguir a los atletas mientras entrenan y compiten, para sacar la monitorización médica de las habitaciones de hospital y para hacer que la electrónica portátil sea más cómoda, que se pueda llevar, incluso. Pero para poder estos aparatos hagan su función, necesitan una fuente de energía. Ahora investigadores han demostrado una batería recargable de ión-litio que se puede estirar hasta un 300 por cien.
Investigadores dirigidos desde 2011 por John Rogers, científico de materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.) han hecho demostraciones de versiones elásticas de prácticamente todos los componentes electrónicos existentes: circuitos, sensores, electrodos, series de diodos emisores de luz y más. El objetivo de Rogers, en su laboratorio y en su start-up MC10 de Cambridge, Massachusetts (EE.UU.), es crear aparatos de alto rendimiento para el seguimiento de la salud que sean cómodos y se puedan llevar encima. Estos aparatos electrónicos podrían ir cosidos a la ropa, adheridos directamente a la pie en forma de un tatuaje temporal o incluso colocados dentro del cuerpo sobre la superficie de un corazón que late, por ejemplo. Para todo este tipo de aplicaciones, la elasticidad es imprescindible.
El reto deriva de que los aparatos electrónicos con mejor rendimiento, incluyendo los transistores de silicio, no son elásticos. Los investigadores de Illinois han superado este problema en el caso de algunos componentes haciéndolos muy finos e integrándolos uno detrás de otro con bastante separación sobre sustratos elásticos, por ejemplo sobre finas láminas de silicona.
Sin embargo, este método no funciona para una batería, como explica el colaborador de Rogers Yonggang Huang, ingeniero mecánico de la Universidad Northweste en Evanston, Illinois. Los materiales activos de una batería tienen que estar empaquetados muy densamente o la batería no podrá almacenar demasiada energía en un volumen dado y durará poco entre recargas.
La solución ideada por Rogers y Huang ha sido crear una agrupación densa de células de batería de ion-litio sobre un material elástico y cablearlas con cables compactos pero muy extensibles. Las conexiones ocupan una parte muy pequeña del montaje, lo que deja más espacio para los materiales que almacenan energía, pero están empaquetadas en densos muelles que se encogen para después estirarse cuando la batería se estira. Huang usó modelos matemáticos para diseñar la geometría del cable. "Queríamos rellenar ese espacio con todo el cable que fuera posible", explica.
Cuando la lámina de baterías se estira hasta un 300 por ciento respecto a su superficie original, las baterías en sí se mantienen como islas de estabilidad mecánica mientras que las interconexiones soportan la tensión. "Es un grado de elasticidad bastante impresionante", afirma Yi Cui, investigador de materiales de la Universidad de Stanford (EE.UU.) que también está desarrollando aparatos elásticos para el almacenaje de energía. Anteriores baterías elásticas solo llegan al 150 por ciento.
El grupo de Illinois demostró que la batería podía proporcionar energía a un LED incluso estando estirada. Y demostraron que la batería se podía cargar sin necesidad de enchufarla en la pared -lo que salva un inconveniente de la electrónica incorporada a las prendas de vestir y una imposibilidad para los aparatos electrónicos implantados- emparejándola con una lámina de resonadores con una elasticidad parecida que se puede usar para recargar la batería por vía inalámbrica. El grupo de Illinois también demostró que la batería puede soportar la tensión de estar enrollada y doblada alrededor del codo. Este trabajo se describe en la revista en línea Nature Communications.
Daniel Steingart, ingeniero mecánico de la Universidad de Princeton (EE.UU.) que no ha participado en el trabajo, pero también se dedica a desarrollar fuentes de energía elásticas, afirma que las baterías tienen la suficiente potencia para dar energía a sensores y procesadores. Sin embargo, explica, deberían tener una densidad aún mayor para ser realmente útiles.
Huang explica que ahora su grupo se centra en mejorar el rendimiento de las baterías. Por ahora solo han conseguido 20 ciclos de cargas, lo que significa que no saben con certeza si las baterías durarán después de haber sido descargadas y cargadas más de 20 veces. También sigue haciendo modelos matemáticos de la geometría de los cables con la esperanza de poder aumentar la densidad de las baterías.