De los cables de carga a los wearables energéticamente inteligentes: el futuro de los sistemas flexibles de almacenamiento de energía

Una de las quejas más habituales entre los usuarios de dispositivos wearables es sorprendentemente sencilla: la autonomía de la batería rara vez cumple la promesa de ofrecer funciones inteligentes durante todo el día.

Ya se trate de un parche inteligente de salud, un audífono con IA, una pulsera de actividad, un anillo inteligente, un dispositivo de monitorización médica, unas gafas de AR, piel electrónica o un sensor wearable industrial, los ingenieros deben equilibrar constantemente tres requisitos que compiten entre sí:

• Productos más pequeños y ligeros
• Mayor tiempo de funcionamiento
• Más sensores, conectividad inalámbrica y procesamiento de IA

Para los diseñadores de producto y los fabricantes de electrónica, las arquitecturas de alimentación tradicionales son cada vez más difíciles de adaptar a dispositivos ultrafinos, flexibles y capaces de ajustarse al cuerpo. Este reto ha acelerado el interés por sistemas flexibles de almacenamiento de energía que integran la captación y el almacenamiento de energía en una única plataforma.

En MOTOMA vemos con frecuencia equipos de desarrollo que buscan soluciones de batería que no solo quepan dentro de productos wearables compactos, sino que también permitan conceptos futuros como electrónica autoalimentada, pantallas flexibles, detección biométrica y monitorización continua de la salud.

Por qué las soluciones de alimentación tradicionales están llegando a su límite

Actualmente, la mayoría de los productos wearables utiliza baterías de litio recargables con capacidades de 50mAh a 1000mAh. Las plataformas de tensión habituales incluyen celdas de polímero de litio de 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V y 3.88V.

Aunque estas baterías ofrecen una excelente densidad energética, los fabricantes de dispositivos se enfrentan a varios retos:

Un smartwatch puede utilizar una batería de 150mAh o 300mAh, mientras que las gafas inteligentes suelen requerir paquetes de batería de 500mAh a 1000mAh. Los dispositivos médicos wearables pueden ir desde microbaterías de 100mAh hasta módulos de batería wearable externos de 5000mAh, según el tiempo de funcionamiento necesario.

El concepto detrás de la captación y el almacenamiento flexible de energía

Un nuevo enfoque que está surgiendo en laboratorios de investigación y programas avanzados de electrónica de consumo es la integración de la tecnología fotovoltaica orgánica (OPV) con baterías recargables flexibles.

En lugar de depender exclusivamente de cables o bases de carga, los dispositivos wearables pueden captar de forma continua energía del entorno y almacenar el excedente para utilizarlo más adelante.

La arquitectura suele constar de:

• Módulos fotovoltaicos orgánicos flexibles
• Circuitos ultrafinos de gestión de energía
• Sistemas flexibles de baterías recargables
• Módulos de comunicación inalámbrica de bajo consumo
• Sistemas inteligentes de gestión de baterías

El resultado es una plataforma integrada de captación y almacenamiento de energía capaz de ampliar la autonomía y reducir la frecuencia de carga.

Tecnología fotovoltaica orgánica en dispositivos wearables

A diferencia de los paneles solares rígidos de silicio tradicionales, los módulos fotovoltaicos orgánicos son ligeros, flexibles y aptos para integrarse en productos wearables.

Los ingenieros pueden incorporar materiales OPV en:

• Ropa inteligente
• Pulseras de actividad
• Parches médicos
• Visores de AR y VR
• Wearables de seguridad industrial
• Dispositivos de piel electrónica
• Mochilas inteligentes y equipamiento para exteriores

En condiciones de iluminación interior, los módulos OPV pueden generar energía suplementaria que ayuda a mantener sensores de bajo consumo, módulos de comunicación Bluetooth y sistemas de monitorización ambiental.

Tecnologías de baterías flexibles para electrónica wearable

La captación de energía por sí sola no puede proporcionar una salida estable. Sigue siendo imprescindible un componente de almacenamiento.

Actualmente se están evaluando varias tecnologías de batería para sistemas flexibles de almacenamiento de energía.

Para los productos comerciales que entran hoy en producción en serie, las baterías de polímero de litio personalizadas siguen siendo la solución más práctica por su densidad energética, madurez de fabricación y flexibilidad de diseño.

Parámetros de batería habituales en dispositivos wearables

Según los requisitos del producto, la electrónica wearable puede utilizar diferentes plataformas de tensión y capacidades.

Aspectos de diseño que los ingenieros no deben pasar por alto

Al integrar sistemas flexibles de almacenamiento de energía en electrónica wearable, la capacidad de la batería es solo una parte de la ecuación.

Los equipos de ingeniería también deben evaluar:

• Requisitos de radio de curvatura
• Limitaciones de grosor de la batería
• Rango de temperatura de funcionamiento
• Eficiencia de carga
• Requisitos de vida útil en ciclos
• Demanda energética de la comunicación inalámbrica
• Fiabilidad mecánica durante flexiones repetidas
• Requisitos de certificación de seguridad

En muchos proyectos wearables, una batería con forma personalizada suele ofrecer una mayor eficiencia del sistema que intentar encajar una batería estándar en una carcasa irregular.

Áreas de aplicación potenciales

La combinación de captación y almacenamiento de energía se está expandiendo más allá de la electrónica de consumo.

Entre las aplicaciones actuales y emergentes se incluyen:

• Dispositivos de monitorización remota de pacientes
• Sistemas de monitorización continua de glucosa
• Wearables de fitness y deporte
• Plataformas de AR y gafas inteligentes
• Textiles electrónicos
• Equipamiento wearable militar
• Sistemas de seguridad para trabajadores industriales
• Parches de monitorización ambiental
• Cascos inteligentes y equipos de protección
• Dispositivos de interfaz hombre-máquina

Qué significa esto para los fabricantes de productos

A medida que la electrónica wearable se hace más fina, inteligente y conectada, la arquitectura de alimentación está evolucionando desde un paquete de baterías independiente hacia un ecosistema energético integrado.

Es poco probable que el futuro dependa únicamente de la captación de energía. La solución más práctica combina captación flexible de energía, gestión inteligente de la alimentación y tecnología de baterías recargables personalizadas.

Para los fabricantes OEM y ODM que desarrollan dispositivos wearables de nueva generación, elegir al socio de baterías adecuado en una fase temprana del diseño puede simplificar considerablemente la integración del producto, el diseño mecánico, la certificación de seguridad y el escalado de la producción.

Preguntas frecuentes

1. ¿Qué es un sistema flexible de almacenamiento de energía?

Un sistema flexible de almacenamiento de energía combina baterías flexibles y tecnologías de captación de energía para alimentar dispositivos electrónicos wearables y portátiles.

2. ¿Pueden los módulos fotovoltaicos orgánicos sustituir por completo a las baterías?

No. Los módulos fotovoltaicos orgánicos aportan energía suplementaria, mientras que las baterías siguen siendo necesarias para suministrar energía de forma estable y almacenarla.

3. ¿Por qué se utilizan tanto las baterías de polímero de litio en los wearables?

Las baterías de polímero de litio ofrecen alta densidad energética, formas personalizables, construcción ligera y compatibilidad con diseños electrónicos compactos.

4. ¿Qué tensión de batería se utiliza habitualmente en dispositivos wearables?

Las plataformas de tensión habituales incluyen 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V y 3.88V. Los sistemas wearables de mayor tamaño pueden utilizar paquetes de baterías de 7.4V, 11.1V o 14.8V.

5. ¿Cuál es el rango de capacidad típico de la electrónica wearable?

Las capacidades van desde menos de 50mAh en anillos inteligentes hasta más de 5000mAh en equipos wearables industriales y sistemas informáticos portátiles.

6. ¿Son adecuadas las baterías de iones de zinc para aplicaciones wearables?

Las baterías de iones de zinc ofrecen características atractivas de seguridad y flexibilidad, por lo que son adecuadas para determinadas aplicaciones médicas y wearables, aunque las baterías de polímero de litio dominan actualmente la producción comercial.

7. ¿Qué opciones de personalización existen para las baterías de dispositivos wearables?

Los fabricantes pueden personalizar las dimensiones, el grosor, la tensión, la capacidad, los circuitos de protección, los conectores, la longitud de los cables, los protocolos de comunicación y el encapsulado mecánico de la batería según los requisitos del producto.