Las previsiones del mercado estiman que la cantidad de dispositivos IoT alcance los 75.000 millones en 2025, por lo que la alimentación de los sistemas con baterías generará una cantidad considerable de desechos potencialmente peligrosos. Para evitar esta situación, el proyecto europeo Symphony está desarrollando nuevos dispositivos de recolección de energía impresos y rectificadores fabricados con materiales más ecológicos.
Una de las claves de este proyecto, liderado por el centro de investigación Joanneum (Austria), es el uso de nuevos materiales para los procesos de estructuración e impresión, que permitirán una tecnología escalable y de bajo costo. Las soluciones de recolección de energía multimodales estarán basadas en el polímero ferroeléctrico P (VDF-TrFE), que eliminará la necesidad de utilizar elementos raros o metales pesados.
Según el consorcio, compuesto por 12 entidades procedentes de Alemania, Suecia, Austria y Francia, el nuevo dispositivo de recolección de energía se implementaría en sensores, los cuales se utilizarían en aplicaciones como los sistemas de calefacción/refrigeración de habitaciones, e incluso, para la movilidad o la generación de energía renovable.
Tecnología del recolector de energía Symphony
Con un presupuesto de 6.817.527 euros, financiados íntegramente por el programa de investigación Horizonte 2020 de la Comisión Europea, y con cuatro años (mayo de 2020-abril de 2024) para su ejecución, el proyecto Symphony desarrollará nanogeneradores basados en materiales piezoeléctricos, triboeléctricos y/o magnetoeléctricos para la recolección de energía, haciendo uso de fuentes vibratorias y magnéticas y arquitecturas microestructuradas.
Estos nanogneradores se implementarán en materiales más ecológicos como polímeros y/o materiales regenerativos como la celulosa, que permitirán reducir los residuos peligrosos, al no depender de materiales tóxicos y elementos raros.
De esta manera, tanto los dispositivos de recolección de energía como los rectificadores, sistemas electrónicos que convierten la corriente alterna en corriente continua, podrán fabricarse a gran escala y serán rentables para el desarrollo de sensores flexibles autoalimentados y baterías impresas.
Los componentes impresos se integrarán con electrónica de baja potencia en sustratos flexibles o estirables para lograr una alta eficiencia energética del circuito de administración de energía, aumentando las aplicaciones de uso.
Fabricación de los nanogeneradores
Según los primeros resultados del proyecto Symphony, para preparar los nanogeneradores triboeléctricos, se crearon materiales electropositivos y electronegativos hechos a medida, que proporcionaron una carga eléctrica de 237 µC/m2, cerca de la ruptura eléctrica en condiciones ambientales.
Por otro lado, el consorcio investigó una mezcla de partículas de óxido de zinc o de silicio en un aglutinante flexible, para fabricar los rectificadores flexibles en base a una solución. La rectificación eficiente de la corriente generada es crucial para la actuación bipolar de los nanogeneradores. Un circuito discreto miniaturizado para rectificación y regulación de salida permite operar a los nanogeneradores cerca del punto de máxima potencia y entregar un voltaje constante para cargar la batería o alimentar el sensor.
Por su parte, los componentes para la recolección de energía tuvieron un gran avance con el desarrollo de baterías a base de polímeros redox en diferentes diseños de impresión, dando lugar a estructuras unicelulares y multicelulares en diseño coplanar y vertical por serigrafía.
Para conseguirlo, se sintetizaron materiales perfectamente ajustados para ánodo, cátodo y electrolito y, tras su encapsulación en lámina de PET flexible, se alcanzó una capacidad de 0,2 mAh/cm2. Mientras que los supercondensadores imprimibles o revestibles por aspersión basados en un papel de poder, que consta de celulosa nanofibrilada y PEDOT:PSS, alcanzaron el objetivo de una capacidad específica de 10 mF/cm2.
Por último, el proyecto ha desarrollado los componentes electrónicos para la fabricación de los sistemas de detección autónomos de energía, integrando una interfaz de recolección de energía y comunicación bluetooth de baja energía en un chip de sensor general. Los primeros prototipos ya están fabricados para fines de prueba dentro del consorcio.
El resultado es una plataforma de suministro de energía para la alimentación de sensores/nodos inalámbricos para monitorizar las ubicaciones remotas o de difícil acceso. La tecnología impresa se puede integrar de manera rentable en dispositivos estirables y flexibles, lo que representa un enorme potencial para su uso en una amplia gama de aplicaciones compatibles con IoT.
Ejemplo de caso de uso
Uno de los casos de uso en los que se probará la tecnología de Symphony es en el suelo inteligente. La calefacción, ventilación y refrigeración de habitaciones en edificios públicos y privados representa el 50% del consumo de energía en la Unión Europea.
El control inteligente de la tecnología de la vivienda basado en el uso real ha sido evaluado en diferentes estudios de casos de uso, mostrando el alto potencial de ahorro de energía. Las tecnologías existentes para el reconocimiento de ocupación, basadas en sensores ópticos o cámaras, tienen desventajas relacionadas con la privacidad, los altos costos de instalación y la interpretación sofisticada de datos.
En este contexto, la tecnología de recolección y detección basada en polímeros piezoeléctricos impresos del proyecto Symphony se podrá integrar fácilmente en los paneles del suelo y alimentar la lectura y la transmisión de datos. De esta forma, ofrecerá la posibilidad de realizar un seguimiento de movimiento preciso y de alta resolución sin poner en peligro la privacidad del cliente ni requerir pasos de instalación adicionales.