18 de marzo de 2024 (Proyector Nanowerk) La llegada de la tecnología portátil ha traído consigo una necesidad apremiante de soluciones de almacenamiento de energía que puedan seguir el ritmo de la flexibilidad y la capacidad de estiramiento de los dispositivos electrónicos blandos. Baterías rígidas convencionales y supercondensadores han demostrado ser inadecuados para una integración perfecta en dispositivos portátiles que deben adaptarse al cuerpo humano y resistir la tensión del uso diario. Este desajuste entre el almacenamiento de energía y la flexibilidad de los dispositivos ha obstaculizado el progreso en campos como el control de la salud, los textiles inteligentes y los implantes biomédicos. Los microsupercondensadores (MSC) se han convertido en un candidato prometedor para el almacenamiento de energía deformable, gracias a su alta densidad de potencia, carga rápida y largo ciclo de vida. Sin embargo, ha resultado ser un desafío crear los intrincados patrones de electrodos interdigitados necesarios para las MSC de alto rendimiento utilizando materiales que puedan soportar estiramientos y torsiones repetidas. Si bien los investigadores han logrado avances en la mejora de la flexibilidad mediante patrones inventivos y sustratos elásticos, muchos enfoques requieren una fabricación compleja y aún fallan bajo deformaciones extremas. Ahora, un esfuerzo de investigación colaborativo dirigido por el Dr. Chanwoo Yang del Instituto Coreano de Tecnología Industrial y el Profesor Jin Kon Kim de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, ha arrojado una posible solución. En su artículo publicado en npj electrónica flexible (“Microsupercondensador deformable fabricado mediante patrones de ablación láser de grafeno/metal líquido”), el equipo detalla la fabricación de altamente deformables grafeno MSC basados en metal liquido Colectores de corriente sobre un sustrato de polímero elástico.
a Ilustración de un sistema integrado que comprende electrónica blanda y un componente de almacenamiento de energía deformable. b El proceso de fabricación de MSC basado en EGaIn. c Espectros UV-vis de SEBS, EGaIn y grafeno. Imágenes FE-SEM de ablación con láser. d Grafeno/EGaIn y e EGaIn (barra de escala = 200 µm). Fotografías de f logotipos del instituto, g logotipos deformados y h un LED conectado al circuito MSC (barra de escala = 1 cm). (Imagen: © npj Flexible Electronics) La innovación clave reside en el uso de galio-indio eutéctico (EGaIn), una aleación de metal líquido, como colector de corriente. "Para implementar un MSC deformable, se necesita un colector de corriente deformable", explica Kim a Nanowerk. “Sin embargo, los colectores de corriente más utilizados están hechos de materiales frágiles como el oro (Au). Para abordar este problema, hemos elegido un 'metal líquido' que posee inherentemente las propiedades de un líquido y conductividad metálica”. El proceso de fabricación comienza recubriendo una fina película de EGaIn sobre un sustrato estirable de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), seguido de la deposición de una capa de grafeno para que sirva como material de electrodo activo. Los investigadores eliminan selectivamente el grafeno y el EGaIn para obtener un patrón interdigitado mediante el uso de láser, aprovechando la fuerte absorción láser de estos materiales en comparación con los SEBS transparentes. Al ajustar cuidadosamente la intensidad del láser, logran patrones precisos sin dañar el sustrato elástico subyacente. La elección de los materiales resulta crucial para el éxito de este enfoque. "Logramos modelar con éxito el metal líquido utilizando su excelente absorción de la longitud de onda del láser", señala Kim. "Además, al ajustar la intensidad del láser, evitamos el daño al sustrato causado por el calor inducido por el láser, mientras que el láser eliminó tanto el grafeno como el metal líquido". El sustrato SEBS, que no absorbe la longitud de onda del láser, puede resistir el calor generado durante la ablación, lo que permite la creación de patrones de alta resolución con espacios entre electrodos tan pequeños como 90 µm. Los MSC resultantes exhiben un rendimiento impresionante, logrando capacitancias de área de hasta 1336 µF cm-2 manteniendo una buena capacidad de tasa. Es importante destacar que los dispositivos no muestran una degradación significativa bajo diversas deformaciones mecánicas, incluidos plegado, arrugado, torsión y estiramiento, incluso después de 1000 ciclos de deformación. "El MSC que utiliza un colector de corriente de metal líquido no mostró cambios en el rendimiento del almacenamiento de energía bajo diversas deformaciones mecánicas e incluso después de repetidas deformaciones", enfatiza Kim, destacando el potencial de estos dispositivos para alimentar dispositivos electrónicos flexibles y portátiles. Para demostrar el potencial práctico de sus MSC, los investigadores integraron una serie de dispositivos con diodos emisores de luz para crear un sistema de iluminación extensible. El sistema mantuvo un funcionamiento estable bajo condiciones severas de flexión, torsión y estiramiento, lo que demuestra la capacidad de los MSC para alimentar de manera confiable componentes electrónicos deformables. De cara al futuro, Kim y Yang ven margen de mejora y posibilidades interesantes para futuras aplicaciones. "En el campo de las MSC, lograr simultáneamente una alta densidad de energía y una alta deformabilidad sigue siendo un desafío importante", señalan. “Esto se debe a que, durante la deformación mecánica, no sólo se debe mantener bien la interfaz entre el colector de corriente y el material activo, sino que también se debe aumentar la densidad de energía de los propios materiales activos. Por lo tanto, este problema debería resolverse”. Si bien se necesita trabajo adicional para mejorar la durabilidad mecánica del electrolito de gel utilizado en estos MSC, el uso de electrodos de metal líquido con diseño láser representa un importante paso adelante en el desarrollo de soluciones de almacenamiento de energía verdaderamente deformables. A medida que las tecnologías portátiles sigan avanzando, innovaciones como estas desempeñarán un papel vital para garantizar que nuestros dispositivos puedan adaptarse a las demandas de nuestros estilos de vida dinámicos. Desde ropa inteligente que controla nuestra salud hasta implantes biomédicos que se adaptan a nuestro cuerpo, el futuro de la electrónica portátil dependerá de sistemas de almacenamiento de energía que no sólo sean compactos y potentes, sino también tan flexibles como nosotros. Con su combinación única de conductores de metal líquido, sustratos elásticos y alto rendimiento electroquímico, las MSC basadas en grafeno ofrecen una visión emocionante de ese futuro, ampliando los límites de lo que es posible en el almacenamiento de energía portátil. A medida que avanza la investigación en este campo, podemos esperar una nueva generación de dispositivos portátiles que se integren perfectamente con nuestras vidas, potenciados por soluciones de almacenamiento de energía deformables que nunca nos detengan.
a Ilustración de un sistema integrado que comprende electrónica blanda y un componente de almacenamiento de energía deformable. b El proceso de fabricación de MSC basado en EGaIn. c Espectros UV-vis de SEBS, EGaIn y grafeno. Imágenes FE-SEM de ablación con láser. d Grafeno/EGaIn y e EGaIn (barra de escala = 200 µm). Fotografías de f logotipos del instituto, g logotipos deformados y h un LED conectado al circuito MSC (barra de escala = 1 cm). (Imagen: © npj Flexible Electronics) La innovación clave reside en el uso de galio-indio eutéctico (EGaIn), una aleación de metal líquido, como colector de corriente. "Para implementar un MSC deformable, se necesita un colector de corriente deformable", explica Kim a Nanowerk. “Sin embargo, los colectores de corriente más utilizados están hechos de materiales frágiles como el oro (Au). Para abordar este problema, hemos elegido un 'metal líquido' que posee inherentemente las propiedades de un líquido y conductividad metálica”. El proceso de fabricación comienza recubriendo una fina película de EGaIn sobre un sustrato estirable de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), seguido de la deposición de una capa de grafeno para que sirva como material de electrodo activo. Los investigadores eliminan selectivamente el grafeno y el EGaIn para obtener un patrón interdigitado mediante el uso de láser, aprovechando la fuerte absorción láser de estos materiales en comparación con los SEBS transparentes. Al ajustar cuidadosamente la intensidad del láser, logran patrones precisos sin dañar el sustrato elástico subyacente. La elección de los materiales resulta crucial para el éxito de este enfoque. "Logramos modelar con éxito el metal líquido utilizando su excelente absorción de la longitud de onda del láser", señala Kim. "Además, al ajustar la intensidad del láser, evitamos el daño al sustrato causado por el calor inducido por el láser, mientras que el láser eliminó tanto el grafeno como el metal líquido". El sustrato SEBS, que no absorbe la longitud de onda del láser, puede resistir el calor generado durante la ablación, lo que permite la creación de patrones de alta resolución con espacios entre electrodos tan pequeños como 90 µm. Los MSC resultantes exhiben un rendimiento impresionante, logrando capacitancias de área de hasta 1336 µF cm-2 manteniendo una buena capacidad de tasa. Es importante destacar que los dispositivos no muestran una degradación significativa bajo diversas deformaciones mecánicas, incluidos plegado, arrugado, torsión y estiramiento, incluso después de 1000 ciclos de deformación. "El MSC que utiliza un colector de corriente de metal líquido no mostró cambios en el rendimiento del almacenamiento de energía bajo diversas deformaciones mecánicas e incluso después de repetidas deformaciones", enfatiza Kim, destacando el potencial de estos dispositivos para alimentar dispositivos electrónicos flexibles y portátiles. Para demostrar el potencial práctico de sus MSC, los investigadores integraron una serie de dispositivos con diodos emisores de luz para crear un sistema de iluminación extensible. El sistema mantuvo un funcionamiento estable bajo condiciones severas de flexión, torsión y estiramiento, lo que demuestra la capacidad de los MSC para alimentar de manera confiable componentes electrónicos deformables. De cara al futuro, Kim y Yang ven margen de mejora y posibilidades interesantes para futuras aplicaciones. "En el campo de las MSC, lograr simultáneamente una alta densidad de energía y una alta deformabilidad sigue siendo un desafío importante", señalan. “Esto se debe a que, durante la deformación mecánica, no sólo se debe mantener bien la interfaz entre el colector de corriente y el material activo, sino que también se debe aumentar la densidad de energía de los propios materiales activos. Por lo tanto, este problema debería resolverse”. Si bien se necesita trabajo adicional para mejorar la durabilidad mecánica del electrolito de gel utilizado en estos MSC, el uso de electrodos de metal líquido con diseño láser representa un importante paso adelante en el desarrollo de soluciones de almacenamiento de energía verdaderamente deformables. A medida que las tecnologías portátiles sigan avanzando, innovaciones como estas desempeñarán un papel vital para garantizar que nuestros dispositivos puedan adaptarse a las demandas de nuestros estilos de vida dinámicos. Desde ropa inteligente que controla nuestra salud hasta implantes biomédicos que se adaptan a nuestro cuerpo, el futuro de la electrónica portátil dependerá de sistemas de almacenamiento de energía que no sólo sean compactos y potentes, sino también tan flexibles como nosotros. Con su combinación única de conductores de metal líquido, sustratos elásticos y alto rendimiento electroquímico, las MSC basadas en grafeno ofrecen una visión emocionante de ese futuro, ampliando los límites de lo que es posible en el almacenamiento de energía portátil. A medida que avanza la investigación en este campo, podemos esperar una nueva generación de dispositivos portátiles que se integren perfectamente con nuestras vidas, potenciados por soluciones de almacenamiento de energía deformables que nunca nos detengan.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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