Las pantallas ahora pueden doblarse – ¿Por qué no las baterías?

Uno de los puntos de atracción más discutidos en el Mobile World Congress de este año fue la demostración del concepto de teléfono flexible de Motorola. El teléfono podía envolver la muñeca de una persona.

Aunque las pantallas de teléfonos totalmente flexibles existen desde hace bastante tiempo, el teléfono concepto de Motorola – flexible – estaba en una categoría aparte.

No solo era un smartphone flexible de tamaño completo con cámara, sino que también contaba con una IA generativa integrada que podía crear un esquema de colores que coincidiera con el atuendo del usuario en menos de 10 segundos. 

Mientras los teléfonos flexibles están en aumento, hoy discutiremos el escenario de las baterías. La pregunta es, si las pantallas ahora pueden doblarse, ¿por qué no las baterías?

En un desarrollo reciente, investigadores en ACS Energy Letters informaron sobre una batería de ion de litio con componentes totalmente extensibles, incluida una capa electrolítica que puede expandirse hasta un 5000%.

Lo bueno de la batería es que sus propiedades de extensibilidad no afectan el rendimiento de la batería, ya que puede mantener su capacidad de almacenamiento de carga después de casi 70 ciclos de carga/descarga. 

En los siguientes segmentos, analizaremos las propiedades de esta batería con mayor detalle. 

Baterías flexibles y extensibles para potenciar dispositivos electrónicos con las mismas propiedades

La investigación actual ha sido un avance en este campo. Es porque, hasta la fecha, los esfuerzos por construir baterías flexibles y extensibles han intentado usar y aprovechar telas conductoras tejidas o componentes rígidos plegados en formas expandibles, como se hace en el arte japonés del origami. 

Sin embargo, esta técnica tiene un problema, ya que una batería verdaderamente maleable requiere que sea elástica en cada una de sus partes, incluidos los electrodos que recogen la carga y los componentes de balance de carga en la capa electrolítica central. 

Pero ninguno de los prototipos que hemos visto hasta ahora cuenta con una elasticidad completa. En su lugar, tienen elasticidad moderada y requieren un proceso de ensamblaje complejo, además limitado por una capacidad de almacenamiento de energía reducida, especialmente cuando se usan durante períodos prolongados con cargas y descargas repetidas.

El problema de la ineficiencia de carga surge de la débil conexión entre la capa electrolítica y los electrodos. Además, el electrolito fluido podría resultar inestable, provocando que se desplace al cambiar la forma de la batería. 

El equipo investigó estos problemas y encontró soluciones.

Soluciones innovadoras para lograr una elasticidad total

El equipo pensó en usar el electrolito en una capa de polímero fusionada entre dos películas de electrodos flexibles para crear una batería completamente sólida y extensible. 

Para los electrodos, el equipo ideó una estrategia de aplicar una fina película de pasta conductora que contiene nanohilos de plata, negro de carbono y materiales de cátodo o ánodo basados en litio sobre una placa.

Luego, aplicaron una capa de polidimetilsiloxano, un material flexible comúnmente usado en lentes de contacto, sobre la pasta.

Finalmente, sobre todo, los investigadores aplicaron una sal de litio, un líquido altamente conductor, y los ingredientes para crear un polímero extensible.

Cuando todos estos, apilados en múltiples capas, fueron activados por luz, los componentes se unieron para formar una capa sólida y gomosa que podía estirarse hasta un 5000% de su longitud original sin problemas en el transporte de iones de litio.

Todo el dispositivo fue sellado con un recubrimiento protector, y la pila, como se mencionó antes, incluía una capa adicional de película de electrodo.

Los investigadores compararon su solución con las existentes en el mercado que buscan lograr el mismo objetivo. Los resultados de la comparación fueron los siguientes: 

Comparación entre el nuevo diseño de batería sólida y extensible con dispositivos alimentados por electrolito líquido tradicional

• La nueva versión ofreció una capacidad de carga promedio seis veces mayor con una velocidad de carga rápida. 
• La nueva solución pudo mantener una mayor estabilidad durante 67 ciclos de carga y descarga.
• El electrolito de polímero funcionó de manera constante durante 1000 ciclos, con una caída de capacidad del 1% en los primeros 30 ciclos. En una solución de electrolito líquido, la caída fue de hasta el 16%. 

Los investigadores creen que, aunque queda mucho por lograr, la investigación y sus resultados son un paso altamente afirmativo y prometedor hacia la creación de dispositivos portátiles o implantables que se flexionen y muevan con el cuerpo.

Aunque las instituciones de investigación siempre actúan como agentes pioneros para que cualquier industria evolucione con el tiempo, no todas las innovaciones resultan viables para aplicaciones reales. Las innovaciones deben tener un elemento de aplicabilidad, y también deben ser propicias para su adopción en un paradigma operativo a gran escala. 

En 2019, otro equipo de investigadores del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins desarrolló una batería de ion de litio flexible que podía operar bajo condiciones extremas como corte, inmersión e impacto balístico simulado. Los investigadores también aseguraron que las baterías fueran incombustibles. 

“Water-In-Salt” y “Water-In-Bisalt” electrolitos para baterías flexibles incombustibles

Los investigadores ofrecieron nuevas ideas a través del descubrimiento de una nueva clase de electrolitos \”water-in-salt\” y \”water-in-bisalt\”—referidos como WiS y WiBS— que, al incorporarse en una matriz de polímero, podrían reducir la actividad del agua y elevar las capacidades energéticas y el ciclo de vida de la batería.

Al mismo tiempo, el mecanismo liberó la configuración de la batería de la inflamabilidad, toxicidad y solventes altamente reactivos presentes en ella. El resultado fue en forma de una batería flexible que era segura y potente. 

Según Konstantinos Gerasopoulos del Departamento de Investigación y Desarrollo Exploratorio de APL, quien también lideró la investigación:

“Las baterías de iones de litio ya son una presencia constante en nuestra vida diaria, desde nuestros teléfonos hasta nuestros automóviles, y seguir mejorando su seguridad es fundamental para avanzar aún más en la tecnología de almacenamiento de energía.”

Explicando la importancia de la investigación, dijo:

“Nuestro reciente artículo muestra una mejor usabilidad y rendimiento de baterías de iones de litio de polímero flexible a base de agua que pueden construirse y operarse al aire libre.”

Mientras la investigación en curso ofrecía muchos avances, algunas empresas también han sido constantes en la fabricación de baterías flexibles para artículos electrónicos. 

#1. Samsung

Hace más de cuatro años, una patente añadida a la base de datos de la Oficina Mundial de Propiedad Intelectual (WIPO) mostró que Samsung había desarrollado una batería plegable para alimentar teléfonos de la misma naturaleza. La batería patentada fue diseñada con capas que permitían que una de sus celdas se conectara a otra mediante una unión flexible. Esta conexión flexible cruzaba la parte de la bisagra del dispositivo, eliminando la necesidad de dos baterías sólidas separadas. 

La patente, según los informes, se refería a la fabricación de baterías que pudieran encajar en la serie Galaxy Fold-series. El éxito de la solución de batería significó que la empresa no tuviera que preocuparse por fabricar dos componentes convencionales separados. En su lugar, una celda podía fluir a la siguiente a través de la bisagra del dispositivo gracias a su tira central de conexión.

La patente afirmaba que la bisagra estaba compuesta por “base material,” “mixture layers,” y “insulating separators.” Según los expertos, el mecanismo permitía que las capas activas portadoras de carga en las celdas interactuaran mientras podían alimentar el teléfono a través de un módulo de circuito de protección (PCM) unificado y conectarse a su placa principal.

El Samsung Galaxy Z Fold 6 ya está en el mercado, lo que implica que la tecnología de baterías plegables de Samsung ha tenido éxito. El teléfono cuenta con una gran pantalla OLED de 7.6 pulgadas y puede soportar navegación web continua a través de 5G (en este caso, T-Mobile), con la pantalla configurada a 150 nits de brillo. 

Según una reseña del dispositivo, el aparato promedió 10 horas y 35 minutos en cuatro pruebas, superando los tiempos de ejecución del Google Pixel Fold (10:21) pero quedando por detrás del OnePlus Open (11:31). 

Al dar su opinión sobre la capacidad de la batería de la serie Fold, el crítico – en resumen – dijo lo siguiente:

“En el uso diario, encontré que el Z Fold 6 ofrece una vida de batería bastante fuerte. Con un uso mixto, el indicador de batería típicamente cae al rango del 20% al 25% alrededor de las 8 p.m., que es cuando busco un cargador de todos modos. Pero ciertamente desearía más autonomía en los días en que viajo o simplemente uso Slack constantemente.”

En conjunto, la incursión de Samsung en baterías de teléfonos plegables, flexibles o doblables podría considerarse un éxito, con posibilidades de mejora como siempre.

Financieramente, Samsung Electronics informó recientemente sus resultados financieros del primer trimestre de 2024, mostrando un crecimiento significativo en varios segmentos. La compañía logró unos ingresos consolidados de 71,92 billones de KRW ($52,08 mil millones), lo que representa un aumento del 13 % en comparación con el mismo período del año pasado. El beneficio operativo se disparó un 933 % hasta 6,61 billones de KRW ($4,78 mil millones), impulsado principalmente por fuertes ventas en sus divisiones de chips de memoria y smartphones. Su división de smartphones presentó resultados impresionantes, con la serie Galaxy S24 contribuyendo significativamente a los ingresos y al beneficio operativo.

#2. Jenax

Otra empresa que ha estado realizando trabajos pioneros en el ámbito de la flexibilidad o extensibilidad de baterías es Jenax. Uno de sus productos insignia más innovadores es J.Flex, la batería de ion de litio recargable, de carga rápida, de estado sólido e innovadora y flexible.

La empresa afirma que su producto puede doblarse y moverse completamente con el dispositivo sin sacrificar la potencia. En cuanto a su aplicación, la batería se dirige a un amplio campo, incluyendo wearables de TI, wearables de salud y fitness, moda y el sector militar. 

Las baterías J.Flex pueden doblarse o enrollarse para mejorar la flexibilidad de los dispositivos de próxima generación. Incluso con doblado dinámico constante, pueden funcionar con la misma eficiencia y capacidad que el nivel de referencia sin doblado. 

J.Flex permite la personalización, ya que un diseñador ahora puede crear sin vacilaciones nuevas formas y tamaños – no disponibles anteriormente – sin sacrificar el rendimiento.  La batería también cumple con normas internacionales para garantizar la seguridad en todas las aplicaciones.

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Dobla como una batería: Tendencias futuras en la flexibilidad de las baterías. 

El volumen de investigación que se está llevando a cabo en este dominio hace que el espacio sea prometedor para el crecimiento. Las empresas están siendo cada vez más innovadoras con sus diseños de dispositivos electrónicos. Imaginan nuevas estéticas, creando una demanda de propiedades de flexibilidad, extensibilidad y maleabilidad en las baterías que eventualmente alimentarán sus dispositivos. 

Aunque ya hemos analizado dos investigaciones que continúan el legado, concluiremos la discusión de hoy examinando otra que podría estar llena de aplicaciones en los días venideros. Un equipo de investigadores de la Universidad de Houston diseñó y desarrolló un prototipo de una batería de ion de litio totalmente extensible basada en tela.

Los investigadores usaron una tela de plata conductora como plataforma y colector de corriente, lo que resultó ser un avance. Al explicar lo que la investigación había logrado y su importancia, Haleh Ardebili, profesor Bill D. Cook de Ingeniería Mecánica en UH, responsable de impulsar la investigación, dijo:

“Parecía el siguiente paso natural crear e integrar baterías extensibles con dispositivos y ropa extensibles. Imagina doblar, flexionar o estirar tu portátil o teléfono en el bolsillo o usar sensores interactivos integrados en nuestra ropa que monitorean nuestra salud.”

No solo la investigación tiene el potencial de abrir nuevas fronteras en el uso de baterías en nuestra vida cotidiana, sino que también corrigió una limitación fundamental que existía hasta entonces: el problema de la rigidez. Al igual que la investigación de Johns Hopkins de 2019, los investigadores de UH transformaron los electrodos rígidos de baterías de ion de litio en electrodos portátiles, basados en tela, flexibles y extensibles con electrolito de polímero sólido.
Según Ardebili:

“El electrodo de la batería debe permitir el movimiento tanto de electrones como de iones.”

Esta demanda podría satisfacerse eficientemente con el uso de tela de plata tejida, ya que puede deformarse o estirarse mecánicamente y aún proporcionar “caminos de conducción eléctrica necesarios para que el electrodo de la batería funcione correctamente”.

Aunque la tecnología de la batería aún estaba en su fase de pruebas tempranas, los investigadores podían imaginar bien su aplicabilidad en trajes espaciales inteligentes, electrónica de consumo integrada en prendas que monitorizan la salud de las personas y dispositivos que interactúan con los humanos en varios niveles. Sin embargo, como todas las invenciones, la viabilidad de esta también dependía de escalar la manufacturabilidad, gestionar la estructura de costos, y similares factores.

En los próximos días, veremos más innovaciones en nuestros smartphones. Otro espacio en crecimiento es la tecnología wearable dirigida a la salud y el fitness. La moda y los accesorios también incorporarán elementos electrónicos.

Todo esto resultará en una mayor demanda de baterías extensibles. Los investigadores verán una adopción creciente de su tecnología en diversas industrias. Sin embargo, no se deben olvidar los aspectos de seguridad, longevidad y rendimiento al fabricarlas. 

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