In Svizzera creata una batteria di carta con interruttore ad acqua

Un team di ricercatori dell’EMPA, istituto di natura federale con sedi a Thun, San Gallo e Dübendorf, ha sviluppato una batteria di carta monouso attivata dall’acqua.

Gli studiosi svizzeri suggeriscono che essa potrebbe essere utilizzata per alimentare un’ampia gamma di dispositivi elettronici monouso a basso consumo, come etichette intelligenti per il tracciamento degli oggetti, sensori ambientali e dispositivi diagnostici medici, riducendo al minimo il loro impatto ambientale.

Lo studio di prova è stato pubblicato sulla rivista “Scientific Reports”.

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Fiocchi di grafite e polvere di Zinco per fungere da anodo e catodo

La batteria, ideata da Gustav Nyström e dal suo team presso l’Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, è composta da almeno una cella di un centimetro quadrato e da tre inchiostri stampati su una striscia di carta rettangolare.

Il sale, in questo caso semplicemente cloruro di sodio o sale da cucina, è disperso nella striscia di carta e una delle sue estremità più corte è stata immersa nella cera.

Su uno dei lati piatti della carta è stampato un inchiostro contenente fiocchi di grafite, che agisce come estremità positiva della batteria (il catodo), mentre sul lato opposto della carta è stampato un inchiostro contenente polvere di Zinco, che agisce come estremità negativa della batteria (l’anodo).

Un altro inchiostro contenente scaglie di grafite e nerofumo viene stampato su entrambi i lati della carta, sopra gli altri due inchiostri.

Questo inchiostro costituisce i collettori di corrente che collegano le estremità positive e negative della batteria a due fili, situati all’estremità della carta immersa nella cera.

Quando si aggiunge una piccola quantità d’acqua, i sali all’interno della carta si sciolgono e vengono rilasciati ioni carichi, rendendo così l’elettrolita ionicamente conduttivo.

Questi ioni attivano la batteria disperdendosi attraverso la carta e facendo ossidare lo Zinco dell’inchiostro all’anodo, liberando così elettroni.

Chiudendo il circuito (esterno), questi elettroni possono essere trasferiti dall’anodo contenente Zinco – attraverso l’inchiostro contenente grafite e nerofumo, i fili e il dispositivo – al catodo di grafite, dove vengono trasferiti all’ossigeno dell’aria ambiente, riducendolo.

Queste reazioni redox (riduzione e ossidazione) generano quindi una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo elettrico esterno.

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Una fonte di energia davvero “green” per l’elettronica a bassa potenza

Per dimostrare la capacità della batteria di far funzionare dispositivi elettronici a basso consumo, l’équipe EMPA di Gustav Nyström ha combinato due celle in un’unica batteria per aumentare la tensione operativa e l’ha utilizzata per alimentare una sveglia con display a cristalli liquidi.

L’analisi delle prestazioni di una batteria a una cella ha rivelato che, dopo l’aggiunta di due gocce d’acqua, la batteria si attivava entro 20 secondi e, quando non era collegata a un dispositivo che consumava energia, raggiungeva una tensione stabile di 1,2 volt.

La tensione di una batteria alcalina standard AA è di 1,5 volt.

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L’asciugatura della carta unico vulnus (facilmente risolvibile) del sistema

Dopo un’ora, le prestazioni della batteria a una cella sono diminuite significativamente a causa dell’asciugatura della carta.

Tuttavia, dopo che i ricercatori hanno aggiunto altre due gocce d’acqua, la batteria ha mantenuto una tensione operativa stabile di 0,5 volt per più di un’altra ora.

I ricercatori sostengono che la biodegradabilità della carta e dello Zinco potrebbe consentire alla loro batteria di ridurre al minimo l’impatto ambientale dell’elettronica usa e getta a bassa potenza.

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Gustav Nyström: “Più Zn c’è, più a lungo la pila è in grado di funzionare…”

“La particolarità della nostra nuova batteria è che, a differenza di molte pile metallo-aria che utilizzano una lamina metallica che si consuma gradualmente man mano che la batteria si esaurisce, il nostro progetto consente di aggiungere all’inchiostro soltanto la quantità di Zinco effettivamente necessaria per l’applicazione specifica“, afferma Nyström.

Le lamine metalliche erano più difficili da controllare e non sempre venivano consumate completamente, con conseguente spreco di materiali.

Più Zinco contiene l’inchiostro, più a lungo la batteria è in grado di funzionare.

Un punto più critico dell’attuale design della batteria con attivazione ad acqua, aggiunge lo scienziato dell’Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, è il tempo necessario alla batteria per asciugarsi.

“Ma sono certo che si possa progettare in modo diverso per ovviare a questo problema”.

Per le applicazioni di rilevamento ambientale a una certa umidità o in ambienti umidi, tuttavia, l’essiccazione della carta non sarebbe un problema.

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Una tecnologia complementare al supercondensatore cartaceo degradabile

In precedenza, il team dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali aveva già sviluppato un supercondensatore degradabile, anch’esso a base di carta, che poteva essere caricato e scaricato migliaia di volte senza perdere efficienza.

Rispetto alle batterie dello stesso peso, i supercondensatori hanno una densità di energia circa 10 volte inferiore, ma allo stesso tempo una densità di potenza da dieci a cento volte superiore.

I supercondensatori possono quindi essere caricati e scaricati molto più velocemente. Possono inoltre sopportare molti più cicli di carica e scarica.

“I due dispositivi sono quindi complementari”, spiega ancora Nyström.

L’idea alla base della nuova batteria attivata dall’acqua era quella di poter produrre dispositivi completamente carichi che rilasciano l’energia soltanto dopo l’attivazione di uno stimolo, in questo caso semplicemente una goccia d’acqua…

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