(Noticias de Nanowerk) Un equipo de investigación de Empa ha desarrollado una batería desechable de papel activada por agua. Los investigadores sugieren que podría usarse para alimentar una amplia gama de dispositivos electrónicos de un solo uso y bajo consumo, como: B. etiquetas inteligentes para rastrear objetos, sensores ambientales y dispositivos de diagnóstico médico, y para minimizar su impacto ambiental.
El estudio de prueba de principio se publicó en la revista Informes científicos («Batería de papel desechable activada por agua»).
La batería desarrollada por Gustav Nyström y su equipo consta de al menos una celda, de un centímetro cuadrado, formada por tres tintas impresas en una tira rectangular de papel. La sal, en este caso simplemente cloruro de sodio o sal de mesa, se extiende sobre la tira de papel y uno de sus extremos más cortos se ha sumergido en cera.
En uno de los lados planos del papel se imprime una tinta que contiene escamas de grafito, que actúa como extremo positivo de la batería (el cátodo), mientras que una tinta que contiene polvo de zinc, que actúa como extremo negativo de la batería (el ánodo), está impreso en el reverso del papel.
Otra tinta que contiene escamas de grafito y negro de humo se imprime en ambos lados del papel encima de las otras dos tintas. Esta tinta forma los colectores de corriente que conectan los extremos positivo y negativo de la batería a dos cables ubicados en el extremo del papel sumergido en cera.
Cuando se agrega una pequeña cantidad de agua, las sales del papel se disuelven y se liberan iones cargados, lo que hace que el electrolito sea conductor de iones. Estos iones activan la batería al dispersarse a través del papel, lo que hace que el zinc de la tinta se oxide en el ánodo y libere electrones.
Al cerrar el circuito (externo), estos electrones pueden transferirse desde el ánodo de cincífero, a través de la tinta, los cables y el dispositivo de grafito y negro de humo, al cátodo de grafito, donde se transfieren, y por lo tanto se reducen, al oxígeno del entorno. aire Estas reacciones redox (reducción y oxidación) producen una corriente eléctrica que puede utilizarse para alimentar un dispositivo eléctrico externo.
Prueba de concepto: una fuente de energía sostenible para la electrónica de bajo consumo
Para demostrar la capacidad de su batería para alimentar dispositivos electrónicos de bajo consumo, el equipo de Nyström combinó dos celdas en una batería para aumentar el voltaje de funcionamiento y la utilizó para alimentar un reloj despertador con pantalla de cristal líquido. El análisis del rendimiento de una batería de una sola celda mostró que después de agregar dos gotas de agua, la batería se activaba en 20 segundos y, cuando no estaba conectada a un dispositivo que consumiera energía, alcanzaba un voltaje estable de 1,2 voltios. El voltaje de una pila alcalina AA estándar es de 1,5 voltios.
Después de una hora, el rendimiento de la batería de una sola celda se redujo significativamente debido al secado del papel. Sin embargo, después de que los investigadores añadieran dos gotas de agua adicionales, la batería mantuvo un voltaje operativo estable de 0,5 voltios durante más de una hora más.
Los investigadores sugieren que la biodegradabilidad del papel y el zinc podría permitir que su batería minimice el impacto ambiental de los dispositivos electrónicos de bajo consumo y de un solo uso.
«Lo que es único acerca de nuestra nueva batería es que, a diferencia de muchas baterías de metal-aire que usan una lámina de metal que se agota gradualmente a medida que se agota la batería, nuestro diseño permite agregar a la tinta solo la cantidad de zinc que realmente se necesita para el uso específico». aplicación», dice Nyström.
Las láminas de metal eran más difíciles de controlar y no siempre se consumían por completo, lo que generaba desperdicio de material. Entonces, cuanto más zinc haya en la tinta, más durará la batería.
Un problema más crítico con los diseños actuales de baterías activadas por agua, agrega Nystrom, es el tiempo que tarda la batería en secarse. “Pero estoy seguro de que esto se puede diseñar de manera diferente para sortear este problema.” Sin embargo, para aplicaciones de detección ambiental a una humedad dada o en ambientes húmedos, secar el papel no sería un problema.
Dos tecnologías complementarias
El equipo de Nyström había desarrollado previamente un supercondensador basado en papel degradable que podía cargarse y descargarse miles de veces sin perder eficiencia.
En comparación con las baterías del mismo peso, los supercondensadores tienen una densidad de energía que es unas diez veces menor y, al mismo tiempo, una densidad de potencia que es entre diez y cien veces mayor. Por lo tanto, los supercondensadores se pueden cargar y descargar mucho más rápido. También pueden sobrevivir a muchos más ciclos de carga y descarga.
«Los dos dispositivos en realidad se complementan entre sí», dice Nyström. La idea detrás de la nueva batería activada por agua era poder hacer dispositivos que estén completamente cargados y solo liberen esa energía después de disparar un estímulo, en este caso simplemente una gota de agua.
