Nova bateria 100% biodegradável feita de celulose, carbono e sal de cozinha vai alimentar, de forma sustentável, uma infinidade de microdispositivos

A nova bateria pode armazenar eletricidade por horas, é resistente à pressão e choque, suporta milhares de ciclos de carga e descarga, e anos de armazenamento

O número de microdispositivos de transmissão de dados, por exemplo, em logística de embalagem e transporte, aumentará drasticamente nos próximos anos. Todos esses dispositivos precisam de energia, mas a quantidade de baterias teria um grande impacto no meio ambiente. Os pesquisadores da Empa desenvolveram um minicapacitor biodegradável que pode resolver o problema. Ele é composto por carbono, celulose, glicerina e sal de cozinha, e funciona de forma confiável.

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O dispositivo de fabricação para a revolução da bateria parece bastante discreto: é uma impressora 3D modificada, disponível comercialmente, localizada em uma sala no prédio do laboratório da Empa. Mas a verdadeira inovação está na receita das tintas gelatinosas, pois esta impressora pode dispensar em uma superfície.

A mistura em questão é composta por nanofibras de celulose e nanocristalitos de celulose, além de carvão na forma de negro de fumo, grafite e carvão ativado. Para liquidificar tudo isso, os pesquisadores usam glicerina, água e dois tipos diferentes de álcool. Além disso, usam mais uma pitada de sal de mesa para condutividade iônica.

Um sanduíche de quatro camadas feito de celulose, carbono e sal de cozinha

Para construir um supercapacitor funcional a partir desses ingredientes, são necessárias quatro camadas, todas fluindo para fora da impressora 3D uma após a outra: um substrato flexível, uma camada condutora, o eletrodo e, finalmente, o eletrólito. A coisa toda é então dobrada como um sanduíche, com o eletrólito no centro.

O que surge é um milagre ecológico. O mini-capacitor do laboratório pode armazenar eletricidade por horas e já pode alimentar um pequeno relógio digital. Ele pode suportar milhares de ciclos de carga e descarga e anos de armazenamento, mesmo em temperaturas de congelamento, e é resistente a pressão e choque.

Fonte de alimentação biodegradável

O melhor de tudo, porém, quando você não precisar mais dele, poderá jogá-lo no composto ou simplesmente deixá-lo na natureza. Após dois meses, o capacitor terá se desintegrado, deixando apenas algumas partículas de carbono visíveis. Os pesquisadores também já tentaram isso.

“Parece muito simples, mas não era de todo”, diz Xavier Aeby, do laboratório de Celulose e Materiais de Madeira da Empa. Foi necessária uma longa série de testes até que todos os parâmetros estivessem corretos, até que todos os componentes fluíssem de forma confiável da impressora e o capacitor funcionou. Diz Aeby: Como pesquisadores, não queremos apenas brincar, também queremos entender o que está acontecendo dentro de nossos materiais.”

Junto com seu supervisor, Gustav Nyström, Aeby desenvolveu e implementou o conceito de um dispositivo de armazenamento de eletricidade biodegradável. Aeby estudou engenharia de microssistemas na EPFL e veio para a Empa para fazer o doutorado. Nyström e sua equipe vêm investigando géis funcionais baseados em nanocelulose há algum tempo.

O material não é apenas uma matéria-prima renovável e ecologicamente correta, mas sua química interna o torna extremamente versátil. “O projeto de um sistema de armazenamento de eletricidade biodegradável está no meu coração há muito tempo”, diz Nyström. “Solicitamos financiamento interno da Empa com nosso projeto Baterias de Papel Impresso e conseguimos iniciar nossas atividades com esse financiamento. Agora atingimos nosso primeiro objetivo.”

O uso do supercapacitor feito de celulose, carbono e sal de cozinha, na Internet das Coisas

O supercapacitor, feito de celulose, carbono e sal de cozinha, poderá, em breve, se tornar um componente-chave para a Internet das Coisas, esperam Nyström e Aeby. “No futuro, esses capacitores poderiam ser carregados brevemente usando um campo eletromagnético, por exemplo, então eles poderiam fornecer energia para um sensor ou microtransmissor por horas.”

Isso pode ser usado, por exemplo, para verificar o conteúdo de pacotes individuais durante o transporte. Sensores de energia no monitoramento ambiental ou na agricultura também é concebível – não há necessidade de coletar essas baterias novamente, pois elas podem ser deixadas na natureza para se degradar.

O número de microdispositivos eletrônicos também aumentará, devido ao uso muito mais difundido de diagnósticos laboratoriais próximos ao paciente (“teste de ponto de atendimento”), que atualmente está crescendo. Pequenos dispositivos de teste para uso ao lado do leito ou dispositivos de autoteste para diabéticos estão entre eles. “Um capacitor de celulose descartável também pode ser adequado para essas aplicações”, diz Gustav Nyström.

Contato científico:

Xavier Aeby. Cellulose & Wood Materials. Telefone +41 58 765 61 34 . xavier.aeby@empa.ch

Dr. Gustav Nyström. Celulose e Materiais de Madeira. Telefone +41 58 765 45 83. gustav.nystroem@empa.ch

Editor / Contato para a Mídia: Rainer Klose Communications.Telefone +41 58 765 47 33. Redaktion@empa.ch

Aeby, X., et al. (2021) Supercapacitores de papel impressos e descartáveis totalmente 3D. Materiais Avançados. doi.org/10.1002/adma.202101328.

Fonte: https://www.empa.ch/