Nuevas fibras que recogen y almacenan electricidad en la ropa

Investigadores del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins han establecido métodos nuevos y escalables para desarrollar fibras alimentadas por baterías y energía solar.

Estas fibras, que hacen teóricamente posible recolectar energía eléctrica de la ropa y almacenarla en ella, podrían alimentar dispositivos electrónicos portátiles de alto rendimiento que traspiran, se estiran y se lavan como los textiles convencionales, afirman.

Este desarrollo en las fuentes de energía de fibra (baterías de espesor submilimétrico e hilos fotovoltaicos que podrían tejerse directamente en telas) abre un nuevo mundo de electrónica portátil y textiles inteligentes. En lugar de llevar un monitor cardíaco con baterías voluminosas, un paciente podría usar una camisa que tenga entretejidas fibras alimentadas por baterías y energía solar. La ropa alimentada por esta fibra podría calentarse para mantener a una persona abrigada en ambientes fríos, o proporcionar a los soldados grabaciones de audio y video con manos libres en el campo de batalla.

"A medida que cambian las demandas de textiles electrónicos, existe la necesidad de fuentes de energía más pequeñas que sean reutilizables, duraderas y extensibles", dijo en un comunicado Konstantinos Gerasopoulos, subdirector del programa de física, materiales y dispositivos electrónicos de APL e investigador principal de este proyecto. "Nuestra visión es desarrollar fibras de recolección solar que puedan convertir la luz solar en electricidad y fibras para baterías que puedan almacenar la electricidad generada en el textil".

La fabricación y el diseño han limitado la escalabilidad y el rendimiento de las baterías de fibra. Se han utilizado equipos textiles industriales para fabricar baterías de fibra, pero su escala masiva limita su uso a instalaciones especializadas que no son compatibles con la industria de las baterías. Las baterías de fibra estándar también sufren un menor rendimiento porque los electrodos suelen estar trenzados entre sí, lo que deja inactiva la mayor parte de la superficie del electrodo.

Ahora, en un estudio publicado el 22 de mayo en Advanced Materials Technologies, los científicos de APL han demostrado un método novedoso para ampliar la fabricación de baterías de fibra.

En lugar de utilizar equipos textiles, el equipo de APL personalizó los equipos de baterías para lograr la delgadez requerida para las baterías de fibra. Esta estrategia, incluida la creación de configuraciones rollo a rollo personalizadas, hizo que el proceso fuera portátil y adecuado para la producción a gran escala. Todo el equipo necesario para crear las baterías de fibra podría caber en una habitación pequeña.

"Siempre diseñamos teniendo en cuenta la compatibilidad entre rollos", dijo Rachel Altmaier, autora principal del artículo. "Necesitamos poder ejecutar todos nuestros procesos de forma continua o, de lo contrario, lo que desarrollemos no será relevante. Este proceso podría incorporarse a una línea de fabricación existente".

Las baterías están hechas de tiras planas de electrodos de ánodo y cátodo y un separador de polímero que se introducen juntos en una prensa de rodillos calentada y se laminan en un diseño apilado. La construcción es similar a la de las baterías portátiles convencionales y proporciona mayor potencia y rendimiento que las baterías de fibra estándar. Luego, la pila se corta con láser en una hebra similar a una fibra de aproximadamente 700 micrómetros de ancho, aproximadamente el ancho de cinco cabellos humanos.

Esto marca el primer uso del corte por láser en una pila de baterías completa y demuestra la viabilidad del método para personalizar el tamaño de la batería y mantener el rendimiento. La rapidez del sistema de corte también lo hace escalable.

"Podemos procesar 100 metros de fibra total en poco más de cinco horas", dijo Jason Tiffany, ingeniero de APL y coautor del artículo. "Con nuestro proceso, podemos hacer que las fibras sean más pequeñas y más densas en energía, lo que podría abrir aún más oportunidades para aplicaciones textiles".

El trabajo con baterías de fibra se suma a la caja de herramientas tecnológicas del equipo, que ha incluido el desarrollo de una batería flexible de iones de litio que puede funcionar en condiciones extremas, así como baterías seguras de carga rápida.

En un segundo artículo publicado el 22 de mayo en Advanced Functional Materials, el equipo de APL también abordó el desafío de fabricar fibras escalables y de alto rendimiento que puedan captar luz y convertirla en electricidad. "Al igual que con las fibras de la batería, nos inspiramos en la tecnología de células solares convencionales, que es muy eficiente y robusta", dijo Gerasopoulos. "Preguntamos, ¿cómo podemos convertir estas fuentes de energía en fibras?"

Los investigadores cortaron y ensamblaron pequeñas células solares en placas de circuitos delgadas y flexibles antes de sellarlas en un polímero protector para crear una hebra similar a una fibra que se tejió con nailon para formar un pequeño tejido.

"El mayor desafío de la tecnología actual de células solares es su rigidez", dijo Michael Jin, autor principal del artículo sobre células solares. "Se puede imaginar que reducir los paneles solares, como los que se encuentran en un tejado, hasta convertirlos en una pequeña fibra solar es un gran desafío".

Para superar este desafío, el equipo aprovechó un tipo específico de célula solar que tiene terminales positivos y negativos en la parte posterior en forma de dedo. A partir de esta célula, los investigadores cortaron y ensamblaron pequeñas células solares en una placa de circuito delgada y flexible.