O descarte de baterias está entre os maiores desafios da eletrificação dos mais diversos dispositivos. Os Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais buscam uma forma criativa de contornar esse problema, com a criação de uma bateria biodegradável impressa em 3D, descartável e feita de papel.
A bateria biodegradável é composta por quatro camadas, todas saindo de uma impressora 3D, uma após a outra. A coisa toda é então dobrada como um sanduíche, com o eletrólito no centro. O equipamento para fabricação é discreto e criativo: uma impressora 3D modificada, disponível comercialmente, localizada em uma sala no prédio do laboratório da Empa.
Porém, a verdadeira inovação está na receita das tintas gelatinosas que esta impressora pode dispensar em uma superfície. A mistura é composta por nanofibras de celulose e nanocristalitos de celulose, além de carvão na forma de negro de fumo – um produto petroquímico usado em pneus, grafite e carvão ativado. Para liquidificar tudo isso, os pesquisadores usam glicerina, água e dois tipos diferentes de álcool. Mais uma pitada de sal de cozinha para condutividade iônica.
Bateria biodegradável é um sanduíche de quatro camadas
Pesquisadores inventaram uma bateria biodegradável totalmente impressa feita de celulose e outros componentes não tóxicos. Imagem: Gian Vaitl / Empa
Para construir um supercapacitor funcional a partir desses ingredientes, são necessárias quatro camadas. Elas são feitas pela 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 para formar a bateria biodegradável.
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. Outra vantagem é que 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.
Descarte sem dor na consciência
Além da forma simples de ser produzida, a grande vantagem dessa bateria biodegradável está no momento em que você não precisar mais dela. É possível jogar no lixo comum ou até descartar 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 funcionasse. 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.
Depois de dois meses enterrado no solo, o capacitor se desintegrou, deixando apenas algumas partículas de carbono visíveis. Imagem: Gian Vaitl / Empa.
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 alcançamos nosso primeiro objetivo.”
Aplicação em IoT – a Internet das Coisas
A bateria biodegradável feita de papel não é apenas boa para a natureza. Os pesquisadores veem que poderá em breve tornar-se um componente-chave para a Internet das Coisas. “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.”
Barato e fácil de descartar, o sensor poderia ser usado, por exemplo, para verificar o conteúdo de pacotes individuais durante o transporte. Por outro lado, podem ser usados em sensores de energia no monitoramento ambiental ou na agricultura – 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.
Fonte: EMPA/Phys.org