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La nueva batería puede almacenar electricidad durante horas, es resistente a la presión y al choque, soporta miles de ciclos de carga y descarga, y años de almacenamiento
El número de microdispositivos de transmisión de datos, por ejemplo, en logística de embalaje y transporte, aumentará drásticamente en los próximos años. Todos estos dispositivos necesitan energía, pero la cantidad de baterías tendría un gran impacto en el medio ambiente. Los investigadores de la Empa desarrollaron un minicapacitor biodegradable que puede resolver el problema. Está compuesto por carbono, celulosa, glicerina y sal de cocina, y funciona de forma confiable.
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El dispositivo de fabricación para la revolución de la batería parece bastante discreto: es una impresora 3D modificada, disponible comercialmente, ubicada en una sala en el edificio del laboratorio de la Empa. Pero la verdadera innovación está en la receta de las tintas gelatinosa, ya que esta impresora puede dispensar en una superficie.
La mezcla en cuestión está compuesta por nanofibras de celulosa y nanocristalitos de celulosa, además de carbón en forma de negro de humo, grafito y carbón activado. Para licuar todo esto, los investigadores usan glicerina, agua y dos tipos diferentes de alcohol. Además, utilizan una pizca de sal de cocina para la conductividad iónica.
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Un sándwich de cuatro capas hecho de celulosa, carbono y sal de cocina
Para construir un supercapacitor funcional a partir de estos ingredientes, se necesitan cuatro capas, todas fluyendo desde la impresora 3D una tras otra: un sustrato flexible, una capa conductora, el electrodo y, finalmente, el electrolito. Todo esto se dobla como un sándwich, con el electrolito en el centro.
Lo que surge es un milagro ecológico. El mini-capacitor del laboratorio puede almacenar electricidad durante horas y ya puede alimentar un pequeño reloj digital. Puede soportar miles de ciclos de carga y descarga y años de almacenamiento, incluso a temperaturas de congelación, y es resistente a la presión y al choque.
Fuente de alimentación biodegradable
Lo mejor de todo, sin embargo, es que cuando ya no lo necesites, podrás tirarlo al compost o simplemente dejarlo en la naturaleza. Después de dos meses, el capacitor se habrá desintegrado, dejando solo algunas partículas de carbono visibles. Los investigadores también han probado esto.
«Parece muy simple, pero no lo era en absoluto», dice Xavier Aeby, del laboratorio de Celulosa y Materiales de Madera de Empa. Se necesitó una larga serie de pruebas hasta que todos los parámetros estuvieran correctos, hasta que todos los componentes fluyeran de manera confiable desde la impresora y el capacitor funcionara. Aeby dice: Como investigadores, no queremos solo jugar, también queremos entender lo que está sucediendo dentro de nuestros materiales.»
Junto con su supervisor, Gustav Nyström, Aeby desarrolló e implementó el concepto de un dispositivo de almacenamiento de electricidad biodegradable. Aeby estudió ingeniería de microsistemas en la EPFL y llegó a la Empa para hacer su doctorado. Nyström y su equipo han estado investigando geles funcionales basados en nanocelulosa durante algún tiempo.
El material no solo es una materia prima renovable y ecológica, sino que su química interna lo hace extremadamente versátil. “El diseño de un sistema de almacenamiento de electricidad biodegradable ha estado en mi corazón durante mucho tiempo”, dice Nyström. “Solicitamos financiamiento interno de la Empa con nuestro proyecto Baterías de Papel Impreso y conseguimos iniciar nuestras actividades con ese financiamiento. Ahora hemos alcanzado nuestro primer objetivo.”
El uso del supercapacitor hecho de celulosa, carbono y sal de cocina en la Internet de las Cosas
El supercapacitor, hecho de celulosa, carbono y sal de cocina, podría, en breve, convertirse en un componente clave para la Internet de las Cosas, esperan Nyström y Aeby. «En el futuro, estos capacitores podrían cargarse brevemente utilizando un campo electromagnético, por ejemplo, y luego podrían proporcionar energía para un sensor o microtransmisor durante horas.»
Esto podría usarse, por ejemplo, para verificar el contenido de paquetes individuales durante el transporte. Sensores de energía en el monitoreo ambiental o en la agricultura también son concebibles; no hay necesidad de recoger estas baterías nuevamente, ya que pueden dejarse en la naturaleza para degradarse.
El número de microdispositivos electrónicos también aumentará, debido al uso mucho más generalizado de diagnósticos de laboratorio cerca del paciente («prueba de punto de atención»), que actualmente está en crecimiento. Pequeños dispositivos de prueba para uso al lado de la cama o dispositivos de autoexamen para diabéticos están entre ellos. «Un capacitor de celulosa desechable también podría ser adecuado para estas aplicaciones», dice Gustav Nyström.
Contacto científico:
Xavier Aeby. Celulosa y Materiales de Madera. Teléfono +41 58 765 61 34. xavier.aeby@empa.ch
Dr. Gustav Nyström. Celulosa y Materiales de Madera. Teléfono +41 58 765 45 83. gustav.nystroem@empa.ch
Editor / Contacto para los medios: Rainer Klose Communications. Teléfono +41 58 765 47 33. Redaktion@empa.ch
Aeby, X., et al. (2021) Supercapacitores de papel impresos y desechables totalmente 3D. Materiales Avanzados. doi.org/10.1002/adma.202101328.
Fuente: https://www.empa.ch/
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