(Phys.org) - Al conectar un nuevo flexible, batería de iones de litio de película delgada a un LED orgánico flexible, un equipo de investigadores de Corea del Sur ha demostrado el primer sistema electrónico totalmente flexible y totalmente funcional. En otras palabras, han demostrado la integración total de una pantalla flexible y una batería en un solo sustrato de plástico sin la ayuda de componentes electrónicos a granel. El logro se basa en un nuevo método de fabricación que permite que las baterías flexibles funcionen con una variedad de materiales de electrodos, superando las limitaciones previas de los electrodos.

Los investigadores, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) en Daejeon, Corea del Sur, han publicado su estudio sobre la nueva batería de iones de litio flexible en una edición reciente de Nano letras .

Aunque ya se han desarrollado varias otras baterías de iones de litio flexibles, ninguno ha logrado un rendimiento suficiente en estabilidad operativa para ser aplicado a productos comerciales, como pantallas enrollables y otros dispositivos electrónicos de consumo flexibles. La razón es que los electrodos para estas baterías solo pueden estar hechos de unos pocos materiales debido a dificultades de fabricación. y estos materiales no tienen un rendimiento muy bueno. Como explica el coautor Keon Jae Lee de KAIST, un tipo de material de cátodo ideal sería un óxido de metal de transición de litio, aunque este es uno de los materiales que actualmente no se pueden incorporar a las baterías de iones de litio flexibles.

"Los óxidos de metales de transición de litio utilizados como electrodo catódico deben tratarse a alta temperatura (p. Ej., aproximadamente 700 ° C para el óxido de cobalto de litio) para la cristalinidad, "Lee dijo Phys.org . "Sin embargo, no es posible termotratar el material activo en sustratos flexibles como los materiales poliméricos ".

Para superar esta limitación, los investigadores desarrollaron una técnica de fabricación que les permite tratar térmicamente el material del electrodo, permitiendo el uso de casi cualquier material como electrodo. Esta tecnica, llamado método de transferencia universal, implica depositar originalmente los materiales de la batería sobre un sustrato de mica quebradizo, similar al utilizado en la fabricación de baterías estándar no flexibles. Luego, usando cinta adhesiva, los investigadores quitaron el sustrato de mica, capa por capa. Después de unos 10 minutos de pelar, los investigadores pudieron eliminar todo el sustrato de mica sin dañar la batería de película delgada.

Próximo, la batería flexible se transfiere a una hoja de polímero flexible y se tapa con otra hoja de polímero flexible. El resultado es una batería de iones de litio flexible que se puede fabricar con casi cualquier material de electrodo. Aquí, los investigadores utilizaron óxido de litio y cobalto como material del cátodo, que es actualmente el cátodo más utilizado en baterías de iones de litio no flexibles debido a su alto rendimiento. Para el ánodo, utilizaron litio tradicional.

“Fabricamos una batería de iones de litio flexible de alto rendimiento estructurada con películas delgadas inorgánicas de alta densidad utilizando el enfoque de transferencia universal, que permite la realización de diversas baterías de iones de litio flexibles independientemente de la química del electrodo, Dijo Lee. "Es más, puede formar electrodos recocidos a alta temperatura sobre sustratos de polímero para baterías de iones de litio de alto rendimiento ".

En pruebas, Los investigadores demostraron que la nueva batería de iones de litio flexible tiene el voltaje de carga (4,2 V) y la capacidad de carga más altos (106 μAh / cm ² ) jamás logrado para las baterías de iones de litio flexibles. También demostraron que la batería se podía doblar con un ángulo de curvatura alto. Sin embargo, después de 100 ciclos de carga-descarga, la batería perdió algo de su capacidad. Dependiendo del grado de deformación por flexión, mantuvo entre el 88,2% y el 98,4% de su capacidad original.

Como explicaron los investigadores, Una táctica que les ayudó a lograr este alto rendimiento incluso bajo un ángulo de curvatura alto fue colocar las partes activas de la batería en un espacio mecánicamente neutral dentro de la película de la batería. Cuando la película de la batería está doblada, se desarrolla un contrapeso entre la tensión de tracción en el lado exterior y la tensión de compresión en el lado interior, lo que crea un plano mecánicamente neutro en el medio. Más lejos, Los investigadores calcularon que el punto en el que la tensión de compresión cambia a tensión de tracción en un cierto grado de flexión puede tener una estabilidad incluso mayor que en un sustrato frágil. Este hallazgo sugiere que es posible que las baterías de iones de litio flexibles tengan una mayor estabilidad y un mejor rendimiento que las baterías de iones de litio no flexibles.

Para fabricar el primer sistema electrónico totalmente flexible y completamente funcional, los investigadores conectaron la batería de iones de litio flexible a un LED orgánico flexible, el último de los cuales se fabricó sobre un sustrato flexible de óxido de indio y estaño. Luego, los investigadores envolvieron todo el sistema con láminas de polímero flexible para mejorar la estabilidad mecánica. Demostraron que, incluso cuando la batería estaba en la posición doblada, todavía podría encender el LED.

En el futuro, los investigadores planean mejorar el rendimiento de la batería, particularmente su densidad de energía, así como trabajar en la producción en masa a través de un proceso de despegue láser de un solo paso en lugar de usar cinta adhesiva. También señalan que el novedoso método de transferencia universal se puede ampliar para fabricar otros dispositivos flexibles, como los nanogeneradores de película fina, transistores de película fina, y dispositivos termoeléctricos.

“Me interesa la combinación de una fuente de energía flexible y la recolección de energía piezoeléctrica autoalimentada, llamados nanogeneradores, Dijo Lee. “Se puede esperar que el sistema electrónico totalmente flexible y su expansión con nanogeneradores cambien nuestra vida diaria. También, para ser utilizado en electrónica de consumo, Es importante aumentar la capacidad de potencia. Por lo tanto, El apilamiento en 3D de esta batería de película delgada de 10 um de grosor sería un tema interesante ".

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