Batería tan pequeña como para ser inyectada tiene energía suficiente para seguir salmones

El dispositivo almacena el doble de la energía que contienen las microbaterías que se utilizan actualmente en los transmisores de rastreo que se les colocan a los peces

Los científicos han creado una microbatería que contiene el doble de energía en comparación con las microbaterías que se utilizan para vigilar los movimientos de los salmones a través de los ríos en el noroeste del Pacífico y en todo el mundo.

La batería, un cilindro sólo un poco más grande que un grano largo de arroz no es, en verdad, la batería más pequeña del mundo, ya que los ingenieros han creado baterías mucho más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Pero esas baterías más pequeñas no tienen suficiente energía para alimentar etiquetas acústicas de peces. La nueva batería es lo suficientemente pequeña como para ser inyectada en un organismo y tiene mucha más energía que las baterías de tamaño similar.

Los detalles de la batería, creada por científicos del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, fueron publicados en línea recientemente en Scientific Reports, una publicación miembro de la colección de revistas de Nature. La investigación acerca de los materiales de la batería también se reseñaron el año pasado en el Journal of Materials Chemistry A.

Para los científicos que siguen los movimientos de los salmones la batería más ligera se traduce a un transmisor más pequeño que se puede insertar en peces más pequeños, más jóvenes. Esto permitiría a los científicos rastrear su salud antes en el ciclo de vida, a menudo en los pequeños arroyos que son cruciales para sus comienzos. La nueva batería también puede alimentar señales a través de largas distancias, lo que permite a los investigadores rastrear peces más lejos de la costa o de las presas, o más profundo en el agua.

«La invención de esta batería revoluciona esencialmente el mundo de la biotelemetría y abre el estudio de las etapas de vida anteriores de los salmones en formas que no eran posibles antes», dijo el señor Brad Eppard, biólogo pesquero con el Distrito de Portland del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE.UU..

«Durante años, el principal factor limitante para la creación de un transmisor más pequeño ha sido el tamaño de la batería. Ese obstáculo se ha superado», agregó Eppard, quien dirige el programa de investigación pesquera del distrito de Portland.

El Cuerpo de Ingenieros y otras agencias utilizan la información de las etiquetas para trazar la salud de los peces en peligro de extinción y para ayudar a determinar la forma óptima de operar las presas. Hace tres años el Cuerpo se dirigió a Z. Daniel Deng, un ingeniero de PNNL, para crear un transmisor más pequeño, uno lo suficientemente pequeño como para ser inyectado en lugar de implantarlo quirúrgicamente en los peces. La inyección es mucho menos invasiva y estresante para los peces, y es un proceso más rápido y menos costoso.

«Este fue un gran desafío que en verdad nos consumió estos tres últimos años», dijo Deng. «No hay nada como esto disponible en el mercado, que se pueda inyectar. Cualquiera de las pilas son demasiado grandes o no duran lo suficiente como para ser útiles. Es por eso que tuvimos que diseñar la nuestra.»

Deng se consultó al experto en ciencias de los materiales Jie Xiao para crear el nuevo diseño de la batería.

Para acumular más energía en un área pequeña, el equipo de Xiao mejoró de la técnica de «jellyroll» que se usa comúnmente para fabricar las baterías para uso en el hogar más grandes. El equipo de Xiao colocó las capas de material de la batería una encima de la otra en un proceso conocido como laminación, luego las enrrolló juntas, de forma similar a cómo se crea un rollo de gelatina. Las capas incluyen un material de separación insertado por un cátodo hecho de fluoruro de carbono y un ánodo hecho de litio.

La técnica permitió que su equipo aumentara el área de los electrodos sin aumentar su grosor o el tamaño total de la batería. El aumento de la superficie aborda uno de los principales problemas que se tiene al hacer una pequeña batería así: evitar que la impedancia, que se parece mucho a la resistencia, suba demasiado. Una alta impedancia se produce cuando hay tantos electrones empaquetados en un lugar pequeño que no fluyen fácilmente o rápidamente a lo largo de las rutas necesarias en una batería. Cuanto más pequeña es la batería, más grande es el problema.

Utilizar la técnica de rollo de gelatina permite al equipo de Xiao crear un área más grande para que interactúen los electrones, reduciendo tanto la impedancia que la capacidad del material es aproximadamente el doble que la de las microbaterías tradicionales que se utilizan en las etiquetas acústicas de peces.

La nueva batería tiene un poco más de la mitad del peso de las baterías que se utilizan actualmente en las etiquetas de peces: sólo 70 miligramos, en comparación con cerca de 135 miligramos, y mide seis milímetros de largo por tres milímetros de diámetro. La batería tiene una densidad de energía de alrededor de 240 vatios hora por kilogramo, en comparación con alrededor de 100 para lasmicrobaterías botón de óxido de plata comercialmente disponibles.

La batería tiene energía suficiente para enviar una señal acústica lo suficientemente fuerte como para que sea útil en los estudios de seguimiento de los peces, incluso en entornos ruidosos, como cerca de las grandes represas. La batería puede alimentar una señal de 744 microsegundos enviada cada tres segundos durante unas tres semanas, o aproximadamente cada cinco segundos durante un mes. Es la batería más pequeña que los investigadores conocen con suficiente capacidad energía para mantener ese nivel de señalización.

Las baterías también funcionan mejor en agua fría, donde a menudo viven los salmones, enviando señales claras a bajas temperaturas en comparación con las baterías actuales. Esto se debe a sus ingredientes activos son litio y fluoruro de carbono, una química que es prometedora para otras aplicaciones, pero no ha sido común en las microbaterías.

El verano pasado en el laboratorio de Xiao, los científicos Samuel Cartmell y Terence Lozano hacieron a mano más de 1.000 pilas del tamaño de un grano de arroz. Es un proceso laborioso, cortando y dándole forma a diminutos fragmentos de sofisticados materiales, colocándolos en un dispositivo de aplanamiento que se asemeja a una fabrica de pasta, unirlos, y enrollarlos a mano en pequeñas cápsulas. Sus hábiles manos rivalizan con las de los cirujanos, aunque trabajando con materiales electrónicos sensibles en lugar de con tejidos.

Un equipo liderado por Deng PNNL implantó quirúrgicamente 700 etiquetas en los salmones en un ensayo de campo en el río de la serpiente del verano pasado. Los resultados preliminares muestran que las etiquetas lo hacen muy bien. Los resultados de ese estudio y más detalles acerca de las etiquetas mejoradas para peces más pequeños, equipados con la nueva microbatería, saldrán en una próxima publicación. Battelle, que opera PNNL, ha solicitado una patente sobre la tecnología.

Además de Xiao Deng, Cartmell y Lozano, otros autores del estudio incluyen Honghao Chen, Wang Qiang, Huidong Xi, Xilin Chen, Yong Yuan, Mark Gross, y Thomas Carlson.

Referencia: Honghao Chen, Samuel Cartmell, Qiang Wang, Terence Lozano, Daniel Z. Deng, Huidong Li, Xilin Chen, Yong Yuan, Mark E. Gross, Thomas J. Carlson y Jie Xiao, Micro-battery development for juvenile salmon acoustic telemetry system applications, Scientific Reports, 21 de enero, 2014, DOI: 10.1038/SREP03790 .

Fuente: Pacific Northwest National Laboratory. Aportado por Eduardo J. Carletti

Más información: