02.08.2022 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Una batería de papel con interruptor de agua

Sólo hay que añadir una gota de agua

Un equipo de investigadores del Empa ha desarrollado una batería de papel desechable que se activa con agua. Los investigadores sugieren que podría utilizarse para alimentar una amplia gama de aparatos electrónicos desechables de bajo consumo y un solo uso -como etiquetas inteligentes para el seguimiento de objetos, sensores ambientales y dispositivos de diagnóstico médico- y minimizar su impacto ambiental. El estudio de prueba de principio se ha publicado en la revista Scientific Reports.

La pila, ideada por Gustav Nyström y su equipo, está formada por una célula que mide un centímetro cuadrado y consta de tres tintas impresas en una tira de papel rectangular. La sal, en este caso simplemente cloruro de sodio o sal de mesa, está dispersa por la tira de papel y uno de sus extremos más cortos se ha sumergido en cera. En una de las caras planas del papel se imprime una tinta que contiene copos de grafito, que actúa como el extremo positivo de la pila (el cátodo), mientras que en el reverso del papel se imprime una tinta que contiene polvo de zinc, que actúa como el extremo negativo de la pila (el ánodo). Otra tinta que contiene copos de grafito y negro de humo se imprime en ambas caras del papel, encima de las otras dos tintas. Esta tinta constituye los colectores de corriente que conectan los extremos positivo y negativo de la pila a dos cables, situados en el extremo del papel bañado en cera.

Cuando se añade una pequeña cantidad de agua, las sales del papel se disuelven y se liberan iones cargados, lo que hace que el electrolito sea conductor iónico. Estos iones activan la pila al dispersarse por el papel, lo que hace que el zinc de la tinta del ánodo se oxide y libere electrones. Al cerrar el circuito (externo), estos electrones pueden transferirse desde el ánodo que contiene zinc -a través de la tinta que contiene grafito y negro de humo, los cables y el dispositivo- hasta el cátodo de grafito, donde se transfieren al oxígeno del aire ambiente y lo reducen. Estas reacciones redox (reducción y oxidación) generan así una corriente eléctrica que puede utilizarse para alimentar un dispositivo eléctrico externo.

Prueba de concepto: una fuente de energía sostenible para la electrónica de baja potencia

ara demostrar la capacidad de su batería para hacer funcionar aparatos electrónicos de baja potencia, el equipo de Nyström combinó dos celdas en una sola batería para aumentar el voltaje de funcionamiento y la utilizó para alimentar un reloj despertador con una pantalla de cristal líquido. El análisis del rendimiento de una pila de una célula reveló que, tras añadir dos gotas de agua, la pila se activaba en 20 segundos y, cuando no estaba conectada a un dispositivo que consumiera energía, alcanzaba un voltaje estable de 1,2 voltios. El voltaje de una pila alcalina AA estándar es de 1,5 voltios.

Al cabo de una hora, el rendimiento de la pila de una célula disminuyó considerablemente debido al secado del papel. Sin embargo, después de que los investigadores añadieran dos gotas adicionales de agua, la pila mantuvo un voltaje de funcionamiento estable de 0,5 voltios durante más de una hora adicional.

Los investigadores proponen que la biodegradabilidad del papel y el zinc podría permitir que su pila minimizara el impacto medioambiental de la electrónica desechable de bajo consumo. "Lo especial de nuestra nueva pila es que, a diferencia de muchas pilas de metal-aire que utilizan una lámina metálica que se consume gradualmente a medida que la pila se agota, nuestro diseño permite añadir a la tinta sólo la cantidad de zinc que realmente se necesita para la aplicación específica", dice Nyström. Las láminas metálicas eran más difíciles de controlar y no siempre se consumían por completo, lo que suponía un desperdicio de materiales. Por eso, cuanto más zinc contenga la tinta, más tiempo podrá funcionar la pila.

Un punto más crítico del diseño actual de la pila con activación por agua, añade Nyström, es el tiempo que tarda la pila en secarse. "Pero estoy seguro de que se puede diseñar de otra manera para sortear este problema". Sin embargo, para las aplicaciones de detección ambiental a una determinada humedad o en entornos húmedos, el secado del papel no sería un problema.

Dos tecnologías complementarias

Anteriormente, el equipo de Nyström ya había desarrollado un supercondensador degradable a base de papel que podía cargarse y descargarse miles de veces sin perder eficacia. En comparación con las baterías del mismo peso, los supercondensadores tienen una densidad de energía unas 10 veces menor y, al mismo tiempo, una densidad de potencia entre diez y cien veces mayor. Por tanto, los supercondensadores pueden cargarse y descargarse mucho más rápido. También pueden soportar muchos más ciclos de carga y descarga. "Así que los dos dispositivos son realmente complementarios", dice Nyström. La idea de la nueva batería activada por agua era poder fabricar dispositivos que estuvieran completamente cargados y que sólo liberaran esta energía tras la activación de un estímulo, en este caso simplemente una gota de agua.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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