Científicos de la NTU de Singapur desarrollan baterías de papel impreso biodegradables Una vez gastadas, las baterías ecológicas se descomponen en el suelo en cuestión de semanas Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang de Singapur (NTU de Singapur) han desarrollado baterías de zinc biodegradables y delgadas que algún día podrían convertirse en una opción ambientalmente sostenible para alimentar sistemas electrónicos flexibles y portátiles.
Las pilas de zinc desarrolladas por la NTU de Singapur están formadas por electrodos (a través de los cuales la corriente eléctrica sale o entra en la pila) serigrafiados en ambas caras de un trozo de papel de celulosa reforzado con hidrogel. Una vez gastada la pila, puede enterrarse en el suelo, donde se descompone por completo en un mes. En un experimento de prueba de concepto descrito en la revista científica Advanced Science, el equipo de la NTU demostró cómo una batería de papel impreso de 4 cm x 4 cm cuadrados podía alimentar un pequeño ventilador eléctrico durante al menos 45 minutos.
Doblar o retorcer la pila no interrumpió el suministro de energía. En otro experimento en el que utilizaron una pila de 4 cm x 4 cm para alimentar un LED, los científicos demostraron que, a pesar de cortar partes de la pila de papel, el LED seguía encendido, lo que indica que el corte no afecta a la funcionalidad de la pila. Los científicos creen que su batería impresa podría integrarse en aparatos electrónicos flexibles, como los teléfonos inteligentes plegables que ya están en el mercado, o en sensores biomédicos para el control de la salud.
El profesor Fan Hongjin, de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la NTU y coautor del estudio, dijo: "Las baterías tradicionales vienen en una variedad de modelos y tamaños, y elegir el tipo adecuado para su dispositivo podría ser un proceso engorroso. Gracias a nuestro estudio, hemos mostrado una forma más sencilla y barata de fabricar baterías, desarrollando una única pieza de gran tamaño que puede cortarse en las formas y tamaños deseados sin perder eficiencia.
formas y tamaños deseados sin perder eficacia. Estas características hacen que nuestras baterías de papel sean ideales para su integración en los tipos de electrónica flexible que se están desarrollando gradualmente".
El profesor adjunto Lee Seok Woo, de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la NTU, y coautor del estudio, dijo: "Creemos que la batería de papel que hemos desarrollado podría ayudar a resolver el problema de los residuos electrónicos, dado que nuestra batería de papel impreso no es tóxica y no requiere carcasas de aluminio o plástico para encapsular los componentes de la batería. Evitar las capas de embalaje también permite a nuestra pila almacenar una mayor cantidad de energía, y por tanto de potencia, dentro de un sistema más pequeño".
El desarrollo de las pilas de papel-zinc impresas por el equipo de investigación de la NTU, del que también forman parte los investigadores Yang Peihua y Li Jia, está en consonancia con la visión NTU 2025 y el Manifiesto de Sostenibilidad de la Universidad, que aspiran a desarrollar soluciones sostenibles para hacer frente a algunos de los grandes retos apremiantes de la humanidad.
Fabricación de baterías tipo sándwich
Las pilas alimentan dispositivos mediante una reacción electroquímica que produce energía eléctrica. El funcionamiento interno de una pila suele estar alojado en una carcasa de metal o plástico. Dentro de esta carcasa se encuentran el cátodo y el ánodo, que son los electrodos donde se producen las reacciones electroquímicas. Un separador añadido entre el cátodo y el ánodo crea una barrera y evita que los electrodos se toquen, al tiempo que permite que la carga eléctrica fluya libremente entre ellos, evitando los cortocircuitos. En el interior de la pila también hay un medio conocido como electrolito, que permite que la carga eléctrica fluya entre el cátodo y el ánodo. Para desarrollar un prototipo más fino y ligero que no requiriera embalaje, los científicos de la NTU adoptaron un "diseño de sándwich" para sus baterías: los electrodos son como las rebanadas de pan, y el papel de celulosa sobre el que se imprimen los electrodos es como el relleno del sándwich.
El proceso de fabricación comienza con el refuerzo del papel de celulosa con hidrogel para rellenar los huecos de las fibras que se encuentran de forma natural en la celulosa. Esto forma un denso separador que impide eficazmente la mezcla de los electrodos, que se formulan como "tintas de electrodos" y se serigrafían en ambas caras del papel de celulosa reforzado con hidrogel. La tinta anódica está compuesta principalmente por zinc y negro de humo (un tipo de carbono conductor). En cuanto a la tinta catódica, los científicos desarrollaron un tipo con manganeso y otro con níquel como prueba de concepto, aunque el equipo de investigación dijo que posiblemente se podrían utilizar otros metales. Una vez impresos los electrodos, la batería se sumerge en un electrolito. A continuación, se recubre una capa de lámina fina de oro sobre los electrodos para aumentar la conductividad de la batería. El producto final tiene un grosor de unos 0,4 mm, aproximadamente el de dos cabellos humanos.
Una alternativa ecológica
Como el hidrogel y la celulosa se descomponen de forma natural por las bacterias, los hongos y otros microorganismos, la batería puede enterrarse simplemente en el suelo al final de su vida útil, donde se descompone en cuestión de semanas, lo que la convierte en un producto totalmente biodegradable. Para demostrar la biodegradabilidad de la batería de papel, los científicos de la NTU la enterraron en el suelo de un jardín de la azotea del campus de la NTU. El papel de celulosa reforzado con hidrogel empezó a fracturarse al cabo de dos semanas y se degradó por completo en un mes.
El profesor Fan dijo: "Cuando se produce la descomposición, los materiales del electrodo se liberan al medio ambiente. El níquel o el manganeso utilizados en los cátodos permanecerán en sus formas de óxido o hidróxido, que se acercan a la forma de los minerales naturales.
El zinc que se encuentra en el ánodo se oxidará de forma natural para formar un hidróxido no tóxico. Esto apunta al potencial de la batería como alternativa más sostenible a las actuales". En el futuro, el equipo de la NTU espera demostrar la integración completa de la batería de papel impreso con otros productos electrónicos impresos, pieles electrónicas, así como sistemas de almacenamiento de energía desplegados en el medio ambiente.
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https://www.ntu.edu.sg/news/detail/batteries-of-the-future-could-be-paper-thin-and-biodegradable [This is automatically translated from English]