Dos cabos de carregamento aos wearables conscientes da energia - O futuro dos sistemas flexíveis de armazenamento de energia

Uma das reclamações mais comuns entre utilizadores de dispositivos vestíveis é surpreendentemente simples: a autonomia da bateria raramente corresponde à promessa de inteligência para todo o dia.

Seja um adesivo inteligente de saúde, aparelho auditivo com IA, monitor de atividade, anel inteligente, dispositivo de monitorização médica, óculos de AR, pele eletrónica ou sensor vestível industrial, os engenheiros precisam equilibrar constantemente três requisitos concorrentes:

• Produtos menores e mais leves
• Maior tempo de funcionamento
• Mais sensores, conectividade sem fios e processamento de IA

Para designers de produto e fabricantes de eletrónica, as arquiteturas tradicionais de alimentação estão cada vez mais difíceis de adaptar a dispositivos ultrafinos, flexíveis e que se ajustam ao corpo. Esse desafio acelerou o interesse por sistemas flexíveis de armazenamento de energia que combinam captação e armazenamento de energia numa única plataforma integrada.

Na MOTOMA, vemos regularmente equipas de desenvolvimento à procura de soluções de bateria que não apenas caibam em produtos vestíveis compactos, mas também suportem conceitos futuros como eletrónica autoalimentada, ecrãs flexíveis, deteção biométrica e monitorização contínua da saúde.

Por que as soluções tradicionais de alimentação estão a chegar ao limite

Atualmente, a maioria dos produtos vestíveis utiliza baterias de lítio recarregáveis com capacidades entre 50mAh e 1000mAh. As plataformas de tensão comuns incluem células de polímero de lítio de 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V e 3.88V.

Embora estas baterias ofereçam excelente densidade energética, os fabricantes de dispositivos enfrentam vários desafios:

Um smartwatch pode utilizar uma bateria de 150mAh ou 300mAh, enquanto os óculos inteligentes geralmente exigem conjuntos de bateria de 500mAh a 1000mAh. Dispositivos médicos vestíveis podem variar de microbaterias de 100mAh a módulos de bateria vestíveis externos de 5000mAh, dependendo do tempo de funcionamento necessário.

O conceito por trás da captação e do armazenamento flexíveis de energia

Uma nova abordagem que está a surgir em laboratórios de investigação e programas avançados de eletrónica de consumo é a integração da tecnologia fotovoltaica orgânica (OPV) com baterias recarregáveis flexíveis.

Em vez de depender exclusivamente de cabos ou bases de carregamento, os dispositivos vestíveis podem captar continuamente energia do ambiente e armazenar o excedente para utilização posterior.

A arquitetura geralmente é composta por:

• Módulos fotovoltaicos orgânicos flexíveis
• Circuitos ultrafinos de gestão de energia
• Sistemas flexíveis de baterias recarregáveis
• Módulos de comunicação sem fios de baixo consumo
• Sistemas inteligentes de gestão de baterias

O resultado é uma plataforma integrada de captação e armazenamento de energia capaz de prolongar o tempo de funcionamento e reduzir a frequência de carregamento.

Tecnologia fotovoltaica orgânica em dispositivos vestíveis

Ao contrário dos tradicionais painéis solares rígidos de silício, os módulos fotovoltaicos orgânicos são leves, flexíveis e adequados para integração em produtos vestíveis.

Os engenheiros podem incorporar materiais OPV em:

• Roupa inteligente
• Pulseiras de atividade
• Adesivos médicos
• Headsets de AR e VR
• Dispositivos vestíveis de segurança industrial
• Dispositivos de pele eletrónica
• Mochilas inteligentes e equipamento para atividades ao ar livre

Em condições de iluminação interior, os módulos OPV podem gerar energia suplementar que ajuda a manter sensores de baixo consumo, módulos de comunicação Bluetooth e sistemas de monitorização ambiental.

Tecnologias de baterias flexíveis para eletrónica vestível

A captação de energia por si só não consegue fornecer uma saída de potência estável. Um componente de armazenamento continua a ser essencial.

Várias tecnologias de bateria estão atualmente a ser avaliadas para sistemas flexíveis de armazenamento de energia.

Para produtos comerciais que entram hoje em produção em massa, as baterias de polímero de lítio personalizadas continuam a ser a solução mais prática devido à sua densidade energética, maturidade de fabrico e flexibilidade de design.

Parâmetros de bateria comuns em dispositivos vestíveis

Consoante os requisitos do produto, a eletrónica vestível pode utilizar diferentes plataformas de tensão e capacidades.

Considerações de design que os engenheiros não devem ignorar

Ao integrar sistemas flexíveis de armazenamento de energia em eletrónica vestível, a capacidade da bateria é apenas uma parte da equação.

As equipas de engenharia também devem avaliar:

• Requisitos de raio de curvatura
• Limitações de espessura da bateria
• Faixa de temperatura de funcionamento
• Eficiência de carregamento
• Requisitos de vida útil em ciclos
• Demanda de energia da comunicação sem fios
• Fiabilidade mecânica durante flexões repetidas
• Requisitos de certificação de segurança

Em muitos projetos de dispositivos vestíveis, uma bateria com formato personalizado oferece frequentemente maior eficiência de sistema do que tentar encaixar uma bateria padrão numa caixa irregular.

Áreas de aplicação potenciais

A combinação de captação e armazenamento de energia está a expandir-se para além da eletrónica de consumo.

As aplicações atuais e emergentes incluem:

• Dispositivos de monitorização remota de pacientes
• Sistemas de monitorização contínua de glicose
• Dispositivos vestíveis para fitness e desporto
• Plataformas de AR e óculos inteligentes
• Têxteis eletrónicos
• Equipamento militar vestível
• Sistemas de segurança para trabalhadores industriais
• Adesivos de monitorização ambiental
• Capacetes inteligentes e equipamentos de proteção
• Dispositivos de interface homem-máquina

O que isto significa para os fabricantes

À medida que a eletrónica vestível se torna mais fina, inteligente e conectada, a arquitetura de alimentação está a evoluir de um conjunto de bateria autónomo para um ecossistema energético integrado.

É pouco provável que o futuro seja alimentado apenas pela captação de energia. A solução mais prática combina captação flexível de energia, gestão inteligente da alimentação e tecnologia de baterias recarregáveis personalizadas.

Para fabricantes OEM e ODM que desenvolvem dispositivos vestíveis de próxima geração, escolher o parceiro de baterias certo nas fases iniciais do design pode simplificar significativamente a integração do produto, o design mecânico, a certificação de segurança e o aumento da produção.

Perguntas frequentes

1. O que é um sistema flexível de armazenamento de energia?

Um sistema flexível de armazenamento de energia combina baterias dobráveis e tecnologias de captação de energia para alimentar dispositivos eletrónicos vestíveis e portáteis.

2. Os módulos fotovoltaicos orgânicos podem substituir totalmente as baterias?

Não. Os módulos fotovoltaicos orgânicos fornecem energia suplementar, enquanto as baterias continuam a ser necessárias para uma alimentação estável e para o armazenamento de energia.

3. Por que as baterias de polímero de lítio são amplamente utilizadas em dispositivos vestíveis?

As baterias de polímero de lítio oferecem alta densidade energética, formatos personalizáveis, construção leve e compatibilidade com designs eletrónicos compactos.

4. Que tensão de bateria é normalmente utilizada em dispositivos vestíveis?

As plataformas de tensão comuns incluem 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V e 3.88V. Sistemas vestíveis maiores podem utilizar conjuntos de bateria de 7.4V, 11.1V ou 14.8V.

5. Qual é a faixa de capacidade típica da eletrónica vestível?

As capacidades variam de menos de 50mAh em anéis inteligentes a mais de 5000mAh em equipamentos vestíveis industriais e sistemas informáticos portáteis.

6. As baterias de iões de zinco são adequadas para aplicações vestíveis?

As baterias de iões de zinco oferecem características atrativas de segurança e flexibilidade, tornando-as adequadas para determinadas aplicações médicas e vestíveis, embora as baterias de polímero de lítio dominem atualmente a produção comercial.

7. Que opções de personalização estão disponíveis para baterias de dispositivos vestíveis?

Os fabricantes podem personalizar dimensões, espessura, tensão, capacidade, circuitos de proteção, conectores, comprimentos dos fios, protocolos de comunicação e embalagem mecânica da bateria de acordo com os requisitos do produto.