Zespół naukowców z Empa (Szwajcarskiego Federalnego Laboratorium Materiałów) opracował aktywowaną wodą jednorazową - papierową baterię. Naukowcy sugerują, że mogłaby ona zostać wykorzystana do zasilania szerokiej gamy elektroniki jednorazowego użytku o niskim poborze mocy - takiej jak inteligentne etykiety do śledzenia obiektów, czujniki środowiskowe i medyczne urządzenia diagnostyczne - a tym samym zminimalizować ich wpływ na środowisko. Badanie proof-of-principle zostało opublikowane w czasopiśmie Scientific Reports.

Bateria, opracowana przez Gustava Nyströma i jego zespół, składa się z co najmniej jednego ogniwa o wymiarach jednego centymetra kwadratowego i składa się z trzech atramentów naniesionych na prostokątny pasek papieru. Sól, w tym przypadku po prostu chlorek sodu (sól kuchenna), jest rozproszona na całym pasku papieru, a jeden z jego krótszych końców został zanurzony w wosku. Farba zawierająca płatki grafitu, która działa jak dodatnia końcówka baterii (katoda), jest naniesiona na jedną z płaskich stron papieru, podczas gdy farba zawierająca proszek cynkowy, która działa jak ujemna końcówka baterii (anoda), jest naniesiona na odwrotną stronę papieru. Kolejna farba zawierająca płatki grafitowe i sadzę jest drukowana po obu stronach papieru, na wierzchu pozostałych dwóch farb. Ten tusz tworzy kolektory prądu łączące dodatni i ujemny koniec baterii z dwoma przewodami, które znajdują się na zanurzonym w wosku końcu papieru.

Po dodaniu niewielkiej ilości wody, sole znajdujące się w papierze rozpuszczają się i uwalniają naładowane jony, czyniąc elektrolit przewodnikiem jonowym. Jony te aktywują baterię, rozpraszając się w papierze, co powoduje utlenianie cynku w tuszu na anodzie, uwalniając w ten sposób elektrony. Poprzez zamknięcie zewnętrznego obwodu elektrony te mogą być następnie przeniesione z anody zawierającej cynk - poprzez atrament zawierający grafit i sadzę, przewody i urządzenie - do grafitowej katody, gdzie są przenoszone na tlen z otoczenia, a tym samym redukowane. Te reakcje redoks (redukcja i utlenianie) generują prąd elektryczny, który może być wykorzystany do zasilania zewnętrznego urządzenia elektrycznego.

Proof of concept: zrównoważone źródło energii dla elektroniki małej mocy

Aby zademonstrować zdolność baterii do zasilania urządzeń elektronicznych o niskim poborze mocy, zespół Nyströma połączył dwa ogniwa w jedną baterię, aby zwiększyć napięcie robocze i wykorzystał ją do zasilania budzika z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym. Analiza wydajności baterii jednokomórkowej wykazała, że po dodaniu dwóch kropli wody, bateria aktywowała się w ciągu 20 sekund i, gdy nie była podłączona do urządzenia zużywającego energię, osiągała stabilne napięcie 1,2 V. Napięcie standardowej baterii alkalicznej AA wynosi 1,5 V.

Fot. (a) Wykres potencjału otwartego obwodu (OCP) baterii jednokomórkowej w funkcji czasu po aktywacji. Czas zerowy odpowiada momentowi, w którym woda została naniesiona na knot aktywacyjny. Bateria wykazuje stabilny OCP 1,2 V i czas aktywacji 20 s. (b) Wykres Nyquista baterii przed aktywacją, pokazujący opór wewnętrzny Rint równy 85 kΩ. (c) Wykresy Nyquista baterii bezpośrednio po aktywacji (szare kwadraty) i po 1 h rozładowania prądem 100 μA (czarne kropki), pokazujące rezystancje wewnętrzne Rint wynoszące odpowiednio około 70 Ω i 90 Ω. (d) Chronopotencjogram baterii (czarna linia ciągła) i odpowiadająca jej rampa prądowa (szara linia kropkowana) w funkcji czasu. (e) Wykres mocy generowanej przez baterię w funkcji prądu, pokazujący maksimum 150 μW przy 0,5 mA. (f) Chronopotencjogram baterii przy stałym prądzie 100 μA, pokazujący proces suszenia i reaktywacji urządzenia. Nieciągłość punktów danych wynika z analizy uzupełniającej, którą przeprowadzono na próbce przy jej szczytowym napięciu pracy. (źródło: nature.com)

Po godzinie wydajność baterii jednokomórkowej znacznie spadła z powodu wysychania papieru. Jednak po dodaniu przez badaczy dwóch dodatkowych kropli wody, bateria utrzymywała stabilne napięcie robocze na poziomie 0,5 V przez ponad jedną dodatkową godzinę.

Badacze podkreślają, że biodegradowalność papieru i cynku może umożliwić ich projektowi baterii zminimalizowanie wpływu na środowisko jednorazowej elektroniki o niskiej mocy.

Ekologiczna rewolucja i gęstość energii

- To, co jest szczególne w naszej nowej baterii, to fakt, że w przeciwieństwie do wielu metalowych baterii powietrznych wykorzystujących metalową folię, która jest stopniowo zużywana w miarę wyczerpywania się baterii, nasz projekt pozwala dodać do atramentu tylko taką ilość cynku, jaka jest rzeczywiście potrzebna do konkretnego zastosowania - mówi kierownik projektu Nyström.

Folie metalowe były trudniejsze do kontrolowania i nie zawsze były w pełni zużywane, co prowadziło do marnowania materiałów. Im więcej cynku zawiera atrament, tym dłużej bateria jest w stanie pracować.

Najbardziej krytycznym punktem obecnego prototypu baterii aktywowanej wodą, dodaje Nyström, jest czas potrzebny na jej wyschnięcie.

- Jestem jednak pewien, że można to zaprojektować inaczej, aby obejść ten problem - dodał naukowiec.

W przypadku zastosowań związanych z pracą przy określonej wilgotności lub w wilgotnym środowisku wysychanie papieru nie byłoby jednak problemem.

Dwie uzupełniające się technologie

Wcześniej zespół Nyströma opracował już biodegradowalny superkondensator, który można było ładować i rozładowywać tysiące razy bez utraty wydajności.

W porównaniu z bateriami o tej samej wadze superkondensatory mają gęstość energii około 10 razy mniejszą, a jednocześnie gęstość mocy około 10 do 100 razy większą. Superkondensatory mogą być zatem ładowane i rozładowywane znacznie szybciej. Mogą też wytrzymać znacznie więcej cykli ładowania i rozładowania.

- Tak więc te dwa urządzenia są w rzeczywistości komplementarne - podsumowuje Nyström.

Ideą nowego akumulatora aktywowanego wodą była możliwość wyprodukowania urządzeń, które są w pełni naładowane i które uwalniają tę energię dopiero po zadziałaniu bodźca, w tym przypadku po prostu kropli wody.

Cała publikacja jest dostępna pod linkiem >> nature.com

Źródło: nature.com, empa.com, euronews.com