Imagem principal: O futuro dos wearables e dos sensores de IoT depende de baterias melhores. Crédito: CC0 Creative Commons

Rastreadores de fitness, smartwatches, auriculares inteligentes e outros wearables incríveis são a primeira onda de uma nova era na eletrônica. A maioria está paralisada por uma carga limitada de bateria, então a próxima onda - um exército de minúsculos sensores que transferem dados de forma autônoma para outros dispositivos, mais conhecidos como a Internet das Coisas (IoT) - contará com uma revolução na tecnologia das baterias. Microbaterias 3D Cue.

Como funcionam as baterias??

As baterias têm um eletrodo negativo (catodo) e um positivo (anodo) feito de metal, com um eletrólito não condutor no meio que suporta átomos eletricamente carregados, tipicamente íons de lítio, viajando entre um e outro. Quando todos esses átomos estão no lado positivo, a bateria precisa ser recarregada, após o que os átomos (agora com um suprimento de elétrons) então viajam para o outro lado..

Dadas as limitações de tamanho das baterias de íons de lítio padrão encontradas em quase todos os eletrônicos portáteis, desde telefones e câmeras até fones de ouvido e wearables Bluetooth, os cientistas estão constantemente à procura de projetos menores e mais eficientes..

O que é uma bateria 3D??

Uma bateria 3D é um redesenho completo de como as baterias existentes são construídas, para torná-las mais potentes ou menores. Em vez de uma camada de ânodo, o eletrólito, em seguida, uma camada de cátodo, uma bateria 3D tem ânodo e cátodo em forma de 3D que são mais como peças de quebra-cabeça. Tal projeto aumenta a área de superfície do cátodo e do ânodo, e pode reter mais íons de lítio e, assim, oferecer mais potência, ou ser muitas vezes menor que uma bateria tradicional. Efetivamente, projetos 3D aumentam a densidade de energia das baterias.

O que a UCLA fez??

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Los Angeles (UCLA) criaram uma poderosa bateria 3D de íons de lítio com até 100 grãos de sal. Em seu artigo Microbaterias de Íons de Lítio de Alta Densidade Energética 3D publicada em Joule em maio deste ano, eles delinearam não apenas uma bateria 3D, mas uma nova maneira de construí-la usando as mesmas técnicas usadas para fabricar circuitos eletrônicos - isso é fundamental, porque embora melhor em teoria, as baterias 3D até agora se mostraram difíceis de construir.

As baterias 3D desenvolvidas pela UCLA. Crédito: Hur et al / Joule

(Imagem: © Hur et al./Joule)

Em vez de camadas, o projeto de "tubos concêntricos" da equipe da UCLA usa postes 3D anódicos cobertos por uma fina camada de um eletrólito de polímero foto-padronizável, com a região entre os postes preenchidos pelo material do cátodo. O resultado final teve uma densidade de energia de 5,2 miliwatts-hora por centímetro quadrado, o que é muito bom para uma bateria 3D. No entanto, ainda mais importante para uso em pequenos dispositivos foi seu tamanho pequeno: apenas 0,09 centímetros quadrados. Uau.

Quão importante é isso?

As baterias 3D são um novo tipo de arquitetura de baterias. Crédito: Hur et al / Joule

(Imagem: © Hur et al./Joule)

É necessário mais trabalho em componentes, montagem e embalagem, mas isso pode significar microbaterias 3D para que as aplicações de IoT sejam mais fáceis de fabricar. "Para pequenos sensores, é preciso redesenhar a bateria para ser como um arranha-céu em Nova York, em vez de uma casa de fazenda na Califórnia", disse Bruce Dunn, professor de ciência e engenharia de materiais da UCLA e autor sênior do relatório. o uso de postes de catodo pela equipe.

"Isso é o que uma bateria 3D faz, e podemos usar o processamento de semicondutores e um eletrólito conformado para fazer um que seja compatível com as demandas de pequenos dispositivos conectados à Internet."

A bateria que recarrega instantaneamente

A IoT exigirá baterias instantaneamente recarregáveis ​​e flexíveis. Crédito: CC0 Creative Commons

A quantidade de energia que uma bateria pode armazenar se torna menos importante se puder ser recarregada muito rapidamente. Pense nos AirPods da Apple e em outros fones de ouvido 'sem fio'; Se eles pudessem ser recarregados em menos de um minuto, alguém se importaria quanto tempo a bateria realmente durou? E se essas baterias pudessem ser recarregadas em menos de um segundo?

O que a Universidade de Cornell fez??

Existem outras maneiras de fazer baterias 3D que podem significar wearables e dispositivos IoT podem ser recarregados quase instantaneamente, como provado por uma equipe da Universidade de Cornell, que procurou interligar os componentes dentro de uma bateria. No lugar do projeto padrão ânodo-eletrólito-cátodo, eles projetaram uma estrutura 3D giratória com milhares de poros em nanoescala preenchidos com todos os componentes usuais da bateria..

"Esta é verdadeiramente uma arquitetura de bateria revolucionária,” disse Ulrich Wiesner, professor de engenharia no Departamento de Ciência dos Materiais e Engenharia. “Esta arquitetura tridimensional basicamente elimina todas as perdas de volume morto no seu dispositivo.” Ele também apontou que, ao encolher tudo para a nanoescala, você obtém ordens de magnitude de maior densidade de potência. "Então você pode acessar a energia em tempos muito mais curtos do que o que normalmente é feito com arquiteturas convencionais de baterias".

Então, quão rápido a sua bateria 3D irá recarregar? "No momento em que você coloca o cabo na tomada, em segundos, talvez até mais rápido, a bateria será carregada", disse Wiesner. O papel do copolímero de bloco derivado 3-D interpenetrante multifuncional Gyroidal Nanohybrid para armazenamento de energia elétrica foi publicado na revista Energy and Environmental Science.em maio de 2018.

A bateria flexível para wearables

Ambas as baterias 3D são uma tentativa de dar nova vida à bateria de íon de lítio, mas alguns acham que é necessário um novo tipo de bateria para dispositivos portáteis flexíveis (e até extensíveis) - pense em roupas inteligentes para atividades de fitness que coletam e enviar dados sobre todos os tipos de métricas corporais.

Wearables para o mercado de fitness poderia eventualmente ter "flexibilidade mecânica". Crédito: Garmin

(Imagem: © Garmin)

Baterias de lítio-enxofre (Li-S) são uma opção que tem sido explorada por uma equipe de pesquisadores na Coréia, em um artigo publicado no Journal of Materials Chemistry. A equipe demonstrou uma nova classe de baterias que utiliza um separador de cátodo totalmente fibroso e nanotubos de carbono para criar um fator de forma de folha metálica. Além de melhorias excepcionais na densidade de energia, a deformabilidade mecânica significa que as baterias podem ser amassadas sem serem afetadas.

Com o crescimento da IoT a uma taxa exponencial e com o mercado de rastreadores de fitness wearable estimado em US $ 48,2 bilhões até 2023, haverá uma demanda massiva e crescente por pequenas baterias que possuem maior capacidade, podem ser recarregadas rapidamente e até mesmo dobrar e flexionar - e mais poder para quem puder torná-los comercialmente viáveis ​​primeiro.

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