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La nueva batería puede almacenar electricidad durante horas, es resistente a la presión y los golpes, 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 Empa han desarrollado un minicondensador biodegradable que puede resolver el problema. Está compuesto de carbón, celulosa, glicerina y sal de mesa, y funciona de forma fiable.
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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 habitación en el edificio del laboratorio de Empa. Pero la verdadera innovación está en la receta de las tintas gelatinosas, ya que esta impresora puede dispensar sobre una superficie.
La mezcla en cuestión está compuesta por nanofibras de celulosa y nanocristalitos de celulosa, además de carbón en forma de negro de carbón, grafito y carbón activado. Para licuar todo esto, los investigadores utilizan glicerina, agua y dos tipos diferentes de alcohol. Además, usan una pizca más de sal de mesa para la conductividad iónica.
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Un sándwich de cuatro capas hecho de celulosa, carbón y sal de mesa.
Para construir un supercondensador funcional a partir de estos ingredientes, se necesitan cuatro capas, todas saliendo de la impresora 3D una tras otra: un sustrato flexible, una capa conductora, el electrodo y finalmente el electrolito. Luego, todo se dobla en un sándwich, con el electrolito en el centro.
Lo que surge es un milagro ecológico. El minicondensador 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 bajo cero, y es resistente a la presión y los golpes.
fuente de alimentación biodegradable
Sin embargo, lo mejor de todo es que cuando ya no lo necesite, puede tirarlo al compost o simplemente dejarlo en la naturaleza. Después de dos meses, el capacitor se habrá desintegrado, dejando solo unas pocas partículas de carbón visibles. Los investigadores también han intentado esto.
“Parece muy simple, pero no lo era en absoluto”, dice Xavier Aeby, del laboratorio de Celulosa y Materiales de Madera de Empa. Tomó una larga serie de pruebas hasta que todos los parámetros fueron correctos, hasta que todos los componentes fluyeron de manera confiable desde la impresora y el capacitor funcionó. Dice Aeby: Como investigadores, no solo queremos jugar, también queremos entender qué sucede 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 EPFL y vino a Empa para hacer su doctorado. Nyström y su equipo llevan tiempo investigando geles funcionales basados en nanocelulosa.
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 Empa para nuestro proyecto de Baterías de Papel Impreso y pudimos iniciar nuestras actividades con este financiamiento. Ahora hemos logrado nuestro primer objetivo”.
El uso del supercondensador de celulosa, carbón y sal de mesa, en el Internet de las Cosas
El supercondensador, hecho de celulosa, carbono y sal de mesa, pronto podría convertirse en un componente clave para el Internet de las cosas, esperan Nyström y Aeby. “En el futuro, estos condensadores podrían cargarse brevemente usando un campo electromagnético, por ejemplo, para que pudieran suministrar energía a un sensor o microtransmisor durante horas”.
Esto se puede usar, por ejemplo, para verificar el contenido de paquetes individuales durante el transporte. Los sensores de energía en el monitoreo ambiental o la agricultura también son concebibles: no hay necesidad de recolectar estas baterías nuevamente, ya que pueden dejarse en la naturaleza para que se degraden.
La cantidad de microdispositivos electrónicos también aumentará, debido al uso mucho más generalizado de diagnósticos de laboratorio cercanos al paciente ("pruebas en el punto de atención"), que actualmente está creciendo. Entre ellos se encuentran pequeños dispositivos de prueba para uso junto a la cama o dispositivos de autoprueba para diabéticos. “Un condensador de celulosa desechable también podría ser adecuado para estas aplicaciones”, dice Gustav Nyström.
Contacto científico:
Xavier Aby. Materiales de celulosa y madera. Teléfono +41 58 765 61 34 . xavier.aeby@empa.ch
Dr. Gustav Nyström. Materiales de celulosa y madera. Teléfono +41 58 765 45 83. gustav.nystroem@empa.ch
Editor/Contacto con los medios: Rainer Klose Communications Teléfono +41 58 765 47 33. Redaktion@empa.ch
Aby, X. et al. (2021) Supercondensadores de papel desechables y totalmente impresos en 3D. Materiales avanzados. doi.org/10.1002/adma.202101328.
fuente: https://www.empa.ch/
