¡Crean una batería desechable hecha de papel y activada por agua!

Hola queridos amigos de la comunidad científica de Hive.

Todos somos conscientes del aumento que han tenido en los últimos años el uso de dispositivos electrónicos, muchos de ellos quedan obsoletos antes de cumplir con su vida útil, otros por el contrario son diseñados para ser desechados luego de un solo uso, como por ejemplo pruebas de embarazo, test de diagnóstico de algunas enfermedades y etiquetas inteligentes. Estos últimos por lo general utilizan pilas de botón, y comienzan a representar un importante flujo de desecho que es importante tener en cuenta para minimizar el impacto ambiental asociado a este tipo de desecho. Es por ello que un equipo de investigadores del Laboratorio de materiales de celulosa y madera del Empa se enfocó en desarrollar una batería de papel desechable.

Avanza la tecnología en baterías biodegradables. Fuente: @emiliomoron, contiene una imagen de dominio público.

Es por ello que resulta indispensable avanzar en el uso de materiales más respetuosos con el medio ambiente y minimizar la generación de residuos electrónicos. Y aunque se han realizado grandes avances en el campo de las baterías, lo cierto es que estos avances se han concentrado en aumentar su rendimiento, utilizar nuevos materiales o incrementar la velocidad de carga, pero ha quedado muy limitado el desarrollo de baterías primarias biodegradables que proporcionen mayor flujo de energía y de forma estable.

Y con la aparición de aparatos electrónicos de un solo uso para aplicaciones como el seguimiento de objetos con etiquetas inteligentes, sensores para mediciones ambientales y test rápidos para embarazos y algunas enfermedades; se eleva la preocupación por el aumento de los residuos electrónicos y la necesidad de baterías de bajo impacto ambiental.

Dispositivos electrónicos desechables aumentan el flujo de residuos electronicos. Fuente: pexels.com.

En este sentido, el equipo de investigadores del EMPA ha desarrollado una pila desechable de papel impreso activada con agua que podría utilizarse para alimentar este tipo de aparatos electrónicos desechables de un solo uso. Básicamente la pila se basa en una celda electroquímica metal-aire en la cual se utiliza zinc como ánodo, grafito en el cátodo, papel como separador y agua como electrolito. Recordemos que una pila metal-aire es un tipo de celda en la que el transporte de carga se origina debido a reacciones de óxido-reducción entre el metal puro dispuesto en el electrodo negativo y el oxígeno contenido en el electrodo positivo de un material poroso que permite el ingreso de aire al sistema.

Esquema general de funcionamiento. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

Entonces, según la investigación publicada recientemente en la revista Scientific Reports, una pila monocelular está compuesta por un sustrato de papel intercalado entre el cátodo de aire y un colector de corriente en un lado, y el ánodo de zinc y un colector de corriente en el lado opuesto, y cloruro de sodio disperso en el papel; y cuando se agrega agua, esta disuelve la sal y activa el circuito.

Esencialmente, en una cara de una tira de papel se imprime una tinta que contiene grafito, que actúa como el cátodo de la celda, mientras que en la otra cara del papel se imprime otra tinta que contiene polvo de zinc, actuando como el ánodo, luego se dispersa la sal sobre el papel y uno de los extremos de la tira de papel se sumerge en cera, posteriormente otra tinta de grafito se imprime sobre ambas caras de papel actuando como el colector de corriente que une los polos positivos y negativos. Cuando se añade una pequeña cantidad de agua al sistema, esta es absorbida y difundida a través del papel, disolviendo la sal y creando un electrolito iónico que actúa como portador de carga y activa el sistema.

La expresión más sencilla de las reacciones implicadas en una celda de zinc-aire son las siguientes:

Las pruebas de diseño de este tipo de pila demostraron que al añadir un par de gotas de agua, y sin ningún elemento que consumiera energía conectado, la pila se activaba a los 20 segundos y logró desarrollar un voltaje estable de 1,2V, y como prueba de concepto utilizaron la pila para encender un reloj despertador. Pero después de una hora el voltaje cayó a 0,5 V, disminución de rendimiento que fue atribuida al secado del papel.

Es por ello que los investigadores proponen su uso en dispositivos electrónicos de un solo uso, ya que la biodegradabilidad de los componentes podría permitir minimizar el impacto ambiental de los dispositivos electrónicos desechables.

A parte del hecho de utilizar un sustrato de papel para la fabricación de la pila, la característica de su activación con agua resulta muy apropiada ya que permitiría el suministro de energía cuando el usuario lo necesite o se active de forma pasiva cuando el entorno lo requiera.

Esperemos que esta tecnología de baterías biodegradables de papel esté disponible pronto, ya que, a pesar de su bajo rendimiento comparado con una pila estándar, es muy importante para una amplia gama de dispositivos que forman parte de la electrónica desechable.

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Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre este interesante desarrollo en baterías biodegradables. ¡Hasta la próxima!

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Referencias

Poulin, A., Aeby, X. & Nyström, G. (2022). Water activated disposable paper battery. Sci Rep 12, 11919
Wikipedia.org. Celda electroquímica metal-aire

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