Naukowcy ze Szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Materiałoznawstwa i Technologii (w skrócie EMPA) wykorzystali drukarkę 3D do produkcji baterii wykonanej z węgla, celulozy, gliceryny i soli kuchennej. Taka biodegradowalna bateria może w przyszłości służyć do zasilania komponentów Internetu Rzeczy.
Liczba mikrourządzeń do transmisji danych, wykorzystywanych chociażby w logistyce, w nadchodzących latach gwałtownie wzrośnie. Wszystkie te urządzenia oczywiście potrzebują energii. A duża ilość baterii, które będą wykorzystywane, na pewno może mieć znaczący wpływ na środowisko. Naukowcy EMPA opracowali biodegradowalny mini kondensator, który może rozwiązać ten problem. Składa się on z węgla, celulozy, gliceryny i soli kuchennej. I wygląda na to, że działa niezawodnie.
Biodegradowalna bateria z drukarki 3D
Urządzenie do produkcji baterii wygląda dość niepozornie. Jest to lekko zmodyfikowana, dostępna na rynku drukarka 3D. Ale prawdziwa innowacja tkwi w przepisie na galaretowate atramenty, które ta drukarka może nakładać na powierzchnię. Mieszanina, o której mowa, składa się z nanowłókien celulozy i nanokrystalitów celulozy oraz węgla w postaci sadzy, grafitu i węgla aktywnego. Aby to wszystko upłynnić, naukowcy używają gliceryny, wody i dwóch różnych rodzajów alkoholu. Plus, jak w każdym porządnym kucharskim przepisie, niezbędna jest szczypta soli kuchennej – dla przewodnictwa jonowego.
Aby zbudować działający super kondensator z tych składników, potrzebne są cztery warstwy – wszystkie stworzone za pośrednictwem druku 3D. Składają się na nie elastyczne podłoże, warstwa przewodząca, elektroda i na końcu elektrolit. Całość jest następnie składana jak kanapka, z elektrolitem w środku.
Mini kondensator z laboratorium może przechowywać energię elektryczną przez wiele godzin i już teraz jest w stanie zasilać mały zegar cyfrowy. Może wytrzymać kilka tysięcy cykli ładowania i rozładowania. Biodegradowalna bateria może też być przechowywana przez kilka lat, nawet w niskich temperaturach i jest odporna na ciśnienie i wstrząsy.
Biodegradowalna bateria nie szkodzi środowisku
Najlepsze w tej technologii jest to, że jak już jej nie potrzebujemy, to możemy wrzucić baterię do kompostu lub po prostu pozostawić w środowisku naturalnym. Po dwóch miesiącach kondensator rozpadnie się, pozostawiając tylko kilka widocznych cząstek węgla.
Xavier Aeby, z laboratorium materiałów celulozowych i drewnianych Empa, mówi, że „brzmi to dość prosto, ale wcale takie nie było”. Potrzeba było wielu serii testów, aż wszystkie parametry były prawidłowe, komponenty poprawnie wydostawały się z drukarki 3D, a kondensator zadziałał. Aeby powiedział, że „jako badacze nie chcemy tylko majstrować, chcemy również dokładnie zrozumieć, co dzieje się w naszych materiałach”.
Wraz ze swoim przełożonym, Gustavem Nyströmem, Aeby opracował i wdrożył koncepcję biodegradowalnego urządzenia magazynującego energię elektryczną. Xavier Aeby studiował wcześniej inżynierię mikrosystemów i przyjechał do EMPA na doktorat. Z kolei Nyström i jego zespół od jakiegoś czasu badali już funkcjonalne żele na bazie nanocelulozy. Materiał jest nie tylko przyjaznym dla środowiska, odnawialnym surowcem, ale jego właściwości sprawiają, że jest niezwykle wszechstronny.
Biodegradowalna bateria przyszłość Internetu Rzeczy
Nyström i Aeby spodziewają się, że super kondensator może wkrótce stać się kluczowym elementem Internetu Rzeczy. Naukowcy tłumaczą, że „w przyszłości takie kondensatory mogą być w krótkim czasie i bezprzewodowo ładowane za pomocą pola elektromagnetycznego, a następnie przez wiele godzin zasilać czujnik lub mikro nadajnik”. O technologii, która może w przyszłości uzupełnić osiągnięcie szwajcarskich naukowców, pisaliśmy na naszym blogu w tekście „Bezprzewodowe ładowanie urządzeń przez sieć 5G”.
Można to wykorzystać chociażby w transporcie, na przykład do sprawdzenia zawartości poszczególnych paczek podczas wysyłki. Również można sobie wyobrazić zasilanie czujników w monitoringu środowiska lub rolnictwie. W takim przypadku nie ma potrzeby ponownego zbierania tych baterii, ponieważ mogą one ulec degradacji w naturze. Chcącym zgłębić temat polecamy lekturę naszego bloga, na przykład artykuł „Inteligentne rolnictwo – jak 5G zmieni oblicze hodowli i upraw”.
Liczba mikrourządzeń elektronicznych będzie również rosła ze względu na coraz powszechniejsze stosowanie diagnostyki laboratoryjnej przy pacjencie. Obecnie nie trzeba już za każdym razem wysyłać danych do laboratorium do analizy. W Szwajcarii stosuje się już małe urządzenia testowe przy łóżku pacjenta lub urządzenia samotestujące dla diabetyków. Gustav Nyström mówi, że „jednorazowy kondensator celulozowy równie dobrze będzie się nadawać do tych zastosowań”.
Źródło: Empa.ch, swissinfo.ch i ScienceDaily