Con el auge de los dispositivos IoT, se están investigando nuevas formas para reducir al mínimo el impacto ambiental que se produce durante la carga de los dispositivos. En este contexto, el proyecto HarveStore ha trabajado en los campos de la energía sostenible y el IoT avanzado para proporcionar nuevas tecnologías que permitan recolectar y almacenar energía procedente del calor y la luz. De esta manera, estas nuevas tecnologías podrían proporcionar energía ininterrumpida y eliminarían la necesidad de baterías tradicionales para los dispositivos de bajo consumo.
En la actualidad, las principales tecnologías de conversión y almacenamiento de energía se basan en materiales cerámicos. Estos materiales son capaces de transferir no solo electrones, como en un conductor habitual, sino también masa en forma de iones (por ejemplo, iones de oxígeno o de litio).
Estos materiales se denominan conductores iónicos o mixtos iónico-electrónicos y son la base, por ejemplo, de las baterías de litio y las pilas de combustible de óxido.
Nuevas herramientas y métodos experimentales
El proyecto HarveStore se ha dedicado al desarrollo de nuevos métodos experimentales, a la fabricación y el estudio de nuevos materiales nanoestructurados y a la implementación de la fabricación de óxidos de película delgada en la tecnología convencional del silicio. Por otro lado, se han puesto a disposición nuevas herramientas experimentales para el análisis de la distribución de iones a través de interfaces con alta resolución y para el seguimiento de la migración iónica durante la operación (mediciones in situ/in operando).
Dichas herramientas comprenden un elipsómetro espectroscópico acoplado a cámaras cerradas para el análisis del estado de carga en materiales de electrodos, y un raman in situ para realizar estudios cinéticos y extraer los coeficientes de transporte de películas delgadas de óxidos funcionales para dispositivos electroquímicos.
Como apoyo a la investigación, los socios han desarrollado modelos teóricos para la reacción sólido/gas y simulaciones de materiales relevantes para el proyecto, que permiten predecir el mecanismo de conducción y la estabilidad termoquímica a nivel de interfaz. A nivel experimental, el proyecto se ha centrado en la definición de los materiales de capa fina para los dispositivos.
Nanoiónica e iontrónica
El rendimiento superior de los μ-HarveStorers requiere el uso de conductores cerámicos avanzados con propiedades superiores. Para ello, HarveStore aprovechará las nuevas disciplinas emergentes en el campo: la nanoiónica y la iontrónica, para obtener nuevas formas de generación y almacenamiento de energía.
Para la nanoiónica y la iontrónica, se ha investigado la posibilidad de ajustar con precisión la población de iones y electrones. Al introducir una discontinuidad en el material, como una interfaz o un defecto estructural extendido, se puede generar un nuevo entorno local con propiedades sorprendentes de conducción rápida y alta capacidad de almacenamiento.
En el caso de la nanoiónica, se han identificado nuevos efectos nanoiónicos para la mejora de la cinética de intercambio de oxígeno en lantánidos dopados, allanando el camino hacia la comprensión universal de la rápida difusión e incorporación de oxígeno a nivel de límite de grano.
Por su parte, se han revelado efectos relacionados con la iontrónica, especialmente en relación con la captación de luz, donde se ha puesto de relieve la íntima relación entre la absorción de luz y la acumulación de carga en forma de migración de iones.
Para convertirse en parte del mundo real, la nanoiónica y la iontrónica deben integrarse bien en la tecnología convencional. HarveStore ha integrado estos materiales de óxido dominados en una interfaz de silicio.
El silicio garantiza una capacidad de fabricación superior, una rentabilidad y la posibilidad de alojar estructuras densas en una arquitectura sin fisuras; todo ello en un material respetuoso con el medio ambiente. El silicio tiene la capacidad de llevar las tecnologías micro y nano a la economía de escala. Estas características han hecho que el silicio haya sido el material de elección para el soporte de los recolectores del proyecto HarveStore.
Se ha abordado el diseño de los procesos de fabricación escalables compatibles con la tecnología del silicio mediante la optimización de técnicas de deposición de área grande de conductores de iones de litio y oxígeno, mediante pulverización catódica por radiofrecuencia, deposición láser pulsada de área grande y deposición de capa atómica espacial.
Gracias a la combinación de estos materiales y a las herramientas desarrolladas, HarveStore ha conseguido fabricar tres familias de microrecolectores totalmente compatibles con la tecnología de silicio, ofreciendo una alta potencia específica (0,5-10 mW y 1-100 J) para la integración con los nodos del futuro IoT.
Baterías de iones de oxígeno de alta temperatura
Tras cinco años de trabajo de investigación y desarrollo, el proyecto HarveStore ha desarrollado una tecnología de batería revolucionaria que aprovecha los conceptos más avanzados en ciencia de los materiales y la energía. Esta nueva tecnología no solo no depende del litio y otros elementos escasos, sino que también ofrece un rendimiento y una seguridad sin precedentes a altas temperaturas.
HaveStore ha desarrollado baterías de iones de oxígeno de alta temperatura, las cuales son recargables y pueden funcionar durante miles de ciclos en entornos hostiles, convirtiéndose en la opción natural para alimentar dispositivos IoT para aplicaciones industriales.
Además, el proyecto ha logrado con éxito la prueba de concepto de varios nuevos microsistemas de recolección y almacenamiento de energía, entre los que se incluyen un dispositivo termoeléctrico de nueva generación basado en materiales de óxido abundante, un nuevo sistema de almacenamiento basado en litio y una célula fotovoltaica de alta temperatura.
Asimismo, estas fuentes de microenergía se han integrado en dispositivos IoT reales, lo que pone de relieve el importante impacto del proyecto.