La batería más pequeña del mundo

Del tamaño de un grano de polvo

Las computadoras son cada vez más pequeñas, y al igual que los teléfonos celulares actuales ofrecen una potencia de cómputo similar a la de una computadora portátil. Y la tendencia hacia la miniaturización continúa. Las aplicaciones de polvo inteligente (diminutos dispositivos microelectrónicos), como los sistemas de sensores biocompatibles en el cuerpo, exigen computadoras y baterías más pequeñas que una mota de polvo. Hasta ahora, este desarrollo se ha visto obstaculizado por dos factores principales: la falta de fuentes de energía en el chip para operar en cualquier momento y en cualquier lugar; y las dificultades para producir microbaterías integrables. En la edición actual de Advanced Energy Materials, el Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, jefe de la Cátedra de Sistemas de Materiales de Nanoelectrónica y Director Científico del Centro de Materiales, Arquitecturas e Integración de Nanomembranas (MAIN) de la Universidad Tecnológica de Chemnitz, el Dr. Minshen Zhu, que ha estado trabajando en el grupo del Prof. Schmidt en el Centro de Investigación MAIN desde febrero de 2022, e investigadores del Instituto Leibniz para la Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW) Dresden y el Instituto de Química Aplicada de Changchun presentan una solución a estos desafíos. Discuten cómo las aplicaciones de polvo inteligente alimentadas por batería se pueden realizar en la escala submilimétrica y presentan la batería más pequeña del mundo como un prototipo orientado a la aplicación. “Nuestros resultados muestran un rendimiento de almacenamiento de energía alentador en la escala submilimétrica”, dice el Dr. Minshen Zhu, y el profesor Oliver Schmidt agrega: “Todavía hay un gran potencial de optimización para esta tecnología, y podemos esperar microbaterías mucho más fuertes en el futuro.”

Más allá de los límites de la miniaturización

La energía para hacer funcionar pequeñas computadoras a escala submilimétrica puede proporcionarse mediante el desarrollo de baterías apropiadas o métodos de “recolección” para generar electricidad. En el área de la “cosecha”, los microgeneradores termoeléctricos, por ejemplo, convierten el calor en electricidad, pero su potencia de salida es demasiado baja para impulsar chips del tamaño de granos de polvo. Las vibraciones mecánicas son otra fuente de energía para alimentar dispositivos a pequeña escala. Las pequeñas celdas fotovoltaicas que convierten la luz en energía eléctrica en pequeños chips también son prometedoras. Sin embargo, la luz y las vibraciones no están disponibles en todo momento y en todos los lugares, lo que hace que la operación bajo demanda sea imposible en muchos entornos. Este también es el caso, por ejemplo, en el cuerpo humano, donde los pequeños sensores y actuadores requieren una fuente de alimentación continua. Potentes baterías diminutas resolverían este problema. Sin embargo, la producción de baterías diminutas es muy diferente a la de sus contrapartes cotidianas. Por ejemplo, las baterías compactas con alta densidad de energía, las pilas de botón, por ejemplo,

Una batería diminuta con un gran potencial para “ futuras tecnologías de sensores y actuadores micro y nanoelectrónicos”

se fabrican mediante química húmeda. Los materiales de los electrodos y los aditivos (materiales de carbono y aglutinantes) se procesan en una suspensión y se revisten sobre una lámina de metal. Las microbaterías en chip producidas con estas tecnologías estándar pueden proporcionar buena energía y densidad de potencia, pero tienen una huella significativamente superior a un milímetro cuadrado.

Reducción de la tecnología Tesla: el proceso de “Swiss-roll” permite baterías del tamaño de polvo en chip para computadoras

Las películas delgadas apiladas, los pilares de electrodos o los microelectrodos interdigitados se utilizan para la fabricación de baterías en chip. Sin embargo, estos diseños a menudo sufren de un almacenamiento de energía inferior y la huella de estas baterías no se puede reducir significativamente por debajo de un milímetro cuadrado. Por lo tanto, el objetivo del Prof. Schmidt, el Dr. Zhu y los miembros de su equipo era diseñar una batería significativamente menor a un milímetro cuadrado e integrable en un chip, que todavía tiene una densidad de energía mínima de 100 microvatios hora por centímetro cuadrado. Para lograr esto, el equipo terminó los colectores de corriente y las tiras de electrodos a microescala, un proceso similar que también utiliza Tesla a gran escala para fabricar las baterías de sus autos eléctricos. Los investigadores utilizan el llamado proceso “Swiss-roll” o “micro origami”. Se crea un sistema de capas con tensión inherente al recubrir consecutivamente capas delgadas de materiales poliméricos, metálicos y dieléctricos sobre la superficie de una oblea. La tensión mecánica se libera al despegar las capas delgadas que luego se cierran automáticamente para enrollarse en una arquitectura denominada “SwissRoll”. Por lo tanto, no se necesitan fuerzas externas para crear una microbatería de cilindro de bobinado automático de este tipo. El método es compatible con las tecnologías de fabricación de chips establecidas y es capaz de producir microbaterías de alto rendimiento en una superficie de oblea. Utilizando este método, el equipo de investigación ha producido microbaterías recargables que podrían alimentar los chips informáticos más pequeños del mundo durante unas diez horas, por ejemplo, para medir la temperatura ambiente local de forma continua. Una batería diminuta con un gran potencial para futuras tecnologías de sensores y actuadores micro y nanoelectrónicos en áreas como Internet de las cosas, implantes médicos miniaturizados, sistemas microrobóticos y electrónica ultraflexible.

Notas de interés

07/Marzo/2022

A falta de oferta de Rusia, Pemex cubrirá abasto de fertilizantes para programa social Forbes

En 2022, Pemex debe entregar para el Programa de Fertilizantes para el Bienestar 352,000 toneladas, lo hará con producción nacional ante la falta de oferta de Rusia y China.

07/Marzo/2022

Pemex alardea tener más inversión que otras petroleras; pierde como ninguna Forbes

Por un lado Pemex presume buen desempeño en Capex y Ebitda en comparación con otras grandes petroleras, pero por otro, fue la única empresa que reportó pérdidas en 2021. 07/Marzo/2022

Sector energético: Pemex cada vez refina más y exporta menos El Economista

En el primer mes del 2022, la exportación de crudo de Pemex alcanzó su nivel más bajo registrado en las últimas tres décadas. Por su parte, la extracción y producción de combustibles incrementaron 0.6 y 12.0% respectivamente, según cifras publicadas por la estatal mexicana.

23/Febrero/2022

Terminales de Pemex comienzan a inundarse del combustóleo El Economista

La producción de combustóleo de Pemex en febrero fue la mayor en los últimos cinco años, de acuerdo con información de SENER. 01/Marzo/2022

La oposición abre la puerta a desbloquear la reforma eléctrica de López Obrador El País

Las direcciones del PAN y el PRI ya han comenzado el diálogo con Morena sobre una medida clave para el Gobierno. Se abre un marco de negociación inédito en el sexenio

02/Marzo/2022

Accidente en planta de CFE en Mérida; se derrumba torre de enfriamiento El Financiero

Trabajadores de la central acusan que esto se debió a la falta de mantenimiento.

Regulación

Diario Oficial de la Federación

04/Marzo/2022

SECRETARIA DE HACIENDA Y CREDITO PUBLICO

Decreto por el que se establecen estímulos fiscales complementarios a los combustibles automotrices.

Acuerdo por el que se dan a conocer los porcentajes, los montos del estímulo fiscal y las cuotas disminuidas del impuesto especial sobre producción y servicios, así como las cantidades por litro aplicables a los combustibles que se indican, correspondientes al periodo que se especifica.

Acuerdo por el cual se dan a conocer los montos de los estímulos fiscales aplicables a la enajenación de gasolinas en la región fronteriza con los Estados Unidos de América, correspondientes al periodo que se especifica.

Acuerdo por el cual se dan a conocer los montos de los estímulos fiscales aplicables a la enajenación de gasolinas en la región fronteriza con Guatemala, correspondientes al periodo que se especifica.

Referencias

Con abogados como estos ¿para qué quiero más litigios?

YESHUA ORDAZ. (2020). A Pemex le urge vender su combustóleo sucio. 15/Feb/2021, de Grupo Milenio Sitio web: https://www.milenio.com/negocios/a-pemex-le-urge-vender-su-combustoleo-sucio GOBIERNO DE MÉXICO. (N/d). Página oficial de consulta del T-MEC. 15/Feb/2021, de Gobierno de México Sitio web: https://www.gob.mx/t-mec ENERGY 21 - DANIELA LOREDO. (2021). Combustóleo, producto estrella de las refinerías de Pemex. 15/ Feb/2022, de Onexpo Nacional, A.C. Sitio web: https://www.onexpo.com.mx/NOTICIAS/COMBUSTOLEO-PRODUCTO-ESTRELLA-DE-LAS-REFINERIAS-DE_7q31X/ JOEL TONATIUH VÁZQUEZ PÉREZ, ADRIÁN GARCÍA GÓMEZ Y CARLOS VÁZQUEZ VIDAL. (n/d). Iniciativa de Reforma Constitucional en Materia Eléctrica: Potenciales consecuencias en las finanzas públicas. 15/Feb/2022, de Centro de Investigación Económica y Presupuestaria. Sitio web: https:// ciep.mx/iniciativa-de-reforma-constitucional-en-materia-electrica-potenciales-consecuenciasen-las-finanzas-publicas/ BOLETÍN IMCO. (2021). Iniciativa de reforma constitucional en materia energética: México necesita competencia en el mercado eléctrico. 15/Feb/2022, de IMCO A.C. Sitio web: https://imco.org.mx/ wp-content/uploads/2021/10/20211001_Iniciativa-de-reforma-constitucional-CFE_Bolet%C3%ADn. docx.pdf COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD. (2022). REFORMA ELÉCTICA NO CONTRAVIENE AL T-MEC: ABOGADO GENERAL DE LA CFE. Boletín de Prensa CFE-BP-24/22vf, 2.