Una batería de papel está diseñada para usar un espaciador formado principalmente de celulosa (el componente principal del papel). Incorpora estructuras de escala nanoscópica para actuar como electrodos de gran superficie para mejorar la conductividad. [1]
Además de ser inusualmente delgadas, las baterías de papel son flexibles y respetuosas con el medio ambiente, [2] lo que permite su integración en una amplia gama de productos. Su funcionamiento es similar al de las baterías químicas convencionales con la importante diferencia de que no son corrosivas y no requieren un alojamiento extenso.
Ventajas
La composición de estas baterías es lo que las diferencia de las baterías tradicionales. El papel es abundante y autosuficiente, lo que hace que el papel sea barato. La eliminación del papel también es económica, ya que el papel es combustible y biodegradable . El uso de papel le da a la batería un gran grado de flexibilidad. La batería se puede doblar o enrollar alrededor de objetos en lugar de requerir una carcasa fija. Además, al ser una hoja plana y delgada, la batería de papel puede caber fácilmente en lugares estrechos, lo que reduce el tamaño y el peso del dispositivo que alimenta. El uso de papel aumenta el flujo de electrones, lo que es muy adecuado para aplicaciones de alto rendimiento. El papel permite la acción capilar para que los fluidos de las baterías, como los electrolitos , se puedan mover sin el uso de una bomba externa. El uso de papel en las baterías aumenta la superficie que se puede utilizar para integrar reactivos . El papel utilizado en las pilas de papel se puede complementar para mejorar sus características de rendimiento. Se utilizan técnicas de modelado como fotolitografía , impresión con cera y micromecanizado láser para crear secciones hidrofóbicas e hidrofílicas en el papel para crear una vía para dirigir la acción capilar de los fluidos utilizados en las baterías. Se pueden utilizar técnicas similares para crear rutas eléctricas en papel para crear dispositivos eléctricos de papel y pueden integrar el almacenamiento de energía en papel. [3]
1.Se utiliza tanto como batería como como condensador. 2.Es flexible. 3.Es un dispositivo de almacenamiento de energía ultra delgado. 4.Larga duración. 5.No tóxico. 6. Producción de energía constante.
Desventajas
Aunque las ventajas de las baterías de papel son bastante impresionantes, muchos de los componentes que las hacen geniales, como los nanotubos de carbono y los patrones, son complicados y costosos. [3]
1. Propenso a desgarrarse.
2. Los nanotubos hechos de carbono son costosos debido al uso de procedimientos como la electrólisis y la ablación con láser.
3. No deben inhalarse, ya que pueden dañar los pulmones.
Electrolitos
Este espaciador a base de celulosa es compatible con muchos electrolitos posibles. Los investigadores utilizaron líquido iónico , esencialmente una sal líquida, como electrolito de la batería , así como electrolitos naturales como el sudor, la sangre y la orina humanas. El uso de un líquido iónico que no contenga agua significaría que las baterías no se congelarían ni evaporarían, lo que podría permitir su funcionamiento en temperaturas extremas. [ cita requerida ] Las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, temperatura, humedad, presión estática) de tales baterías dependerían de las propiedades físicas y químicas del electrolito, así como de la durabilidad de la malla de celulosa; ambos factores potencialmente limitantes.
Aplicaciones potenciales
La calidad similar al papel de la batería combinada con la estructura de los nanotubos incrustados en su interior les da peso ligero y bajo costo, ofreciendo potencial para dispositivos electrónicos portátiles, aviones , automóviles y juguetes (como modelos de aviones ).
Las baterías emplean nanotubos, lo que podría ralentizar la adopción comercial debido a un costo excesivo. La adopción comercial también requiere dispositivos más grandes. Por ejemplo, un dispositivo del tamaño de un periódico podría ser lo suficientemente potente como para alimentar un automóvil. [4]
El papel se puede integrar en varias formas diferentes de baterías, como baterías electroquímicas , celdas de biocombustible , baterías de iones de litio , supercondensadores y nanogeneradores .
Baterías electroquímicas
Las baterías electroquímicas se pueden modificar para integrar el uso de papel. Una batería electroquímica generalmente usa dos metales, separados en dos cámaras y conectados por un puente o una membrana que permite el intercambio de electrones entre los dos metales, produciendo así energía. El papel se puede integrar en las baterías electroquímicas depositando el electrodo sobre el papel y utilizando papel para contener el líquido utilizado para activar la batería. El papel estampado también se puede utilizar en baterías electroquímicas. Esto se hace para que la batería sea más compatible con la electrónica de papel. Estas baterías tienden a producir bajo voltaje y operar por períodos cortos de tiempo, pero se pueden conectar en serie para aumentar su salida y capacidad. Las baterías de papel de este tipo se pueden activar con fluidos corporales, lo que las hace muy útiles en el campo de la salud, como dispositivos médicos de un solo uso o pruebas para enfermedades específicas. [3] Se ha desarrollado una batería de este tipo con una vida útil más larga para los dispositivos de punto de atención para la industria de la salud. El dispositivo utilizó una batería de papel fabricada con un ánodo de lámina de magnesio y un cátodo de plata se ha utilizado para detectar enfermedades en pacientes como cáncer de riñón, cáncer de hígado y cáncer de hueso osteoblástico. El papel se diseñó mediante impresión de cera y se puede desechar fácilmente. Además, esta batería fue desarrollada a bajo costo y tiene otras aplicaciones prácticas. [5]
Baterías de iones de litio
El papel se puede utilizar en baterías de iones de litio como papel comercial normal o papel mejorado con nanotubos de carbono de pared simple. El papel mejorado se utiliza como electrodo y como separador, lo que da como resultado una batería resistente y flexible que tiene una gran capacidad de rendimiento, como un buen ciclo , una gran eficiencia y una buena reversibilidad. Usar papel como separador es más efectivo que usar plástico. Sin embargo, el proceso de mejora del papel puede resultar complicado y costoso, dependiendo de los materiales utilizados. Se puede usar una película de nanotubos de carbono y nanocables de plata para recubrir papel normal para crear un separador y un soporte de batería más simple y menos costoso. El papel conductor también se puede utilizar para reemplazar los productos químicos metálicos utilizados tradicionalmente. La batería resultante funciona bien, al tiempo que simplifica el proceso de fabricación y reduce el costo. Las baterías de papel de iones de litio son flexibles, duraderas, recargables y producen significativamente más energía que las baterías electroquímicas. A pesar de estas ventajas, todavía existen algunos inconvenientes. Para que el papel se integre con la batería de iones de litio, se requieren técnicas complejas de estratificación y aislamiento para que la batería funcione como se desea. Una de las razones por las que se utilizan estas complejas técnicas es para reforzar el papel utilizado para que no se rompa tan fácilmente. Esto contribuye a la resistencia y flexibilidad generales de la batería. Estas técnicas requieren tiempo, capacitación y materiales costosos. Además, los materiales individuales requeridos no son ecológicos y requieren procedimientos de eliminación específicos. Las baterías de papel de iones de litio serían las más adecuadas para aplicaciones que requieran una cantidad sustancial de energía durante un período de tiempo prolongado. [3] Las baterías de papel de iones de litio pueden estar compuestas por nanotubos de carbono y una membrana a base de celulosa y producir buenos resultados, pero a un precio elevado. Otros investigadores han tenido éxito utilizando papel carbón fabricado con papel de filtro pirolizado. El papel se inserta entre el electrodo y el cátodo. El uso de papel carbón como capa intermedia en las baterías Li-S mejora la eficiencia y la capacidad de las baterías. El papel carbón aumenta el área de contacto entre el cátodo y el electrodo lo que permite un mayor flujo de electrones. Los poros del papel permiten que los electrones viajen con facilidad al tiempo que evitan que el ánodo y el cátodo entren en contacto entre sí. Esto se traduce en mayor rendimiento, capacidad de la batería y estabilidad del ciclo; estas son mejoras a las baterías Li-S convencionales. El papel carbón está hecho de papel de filtro pirolizado que es económico de fabricar y funciona como el papel de nanotubos de carbón de paredes múltiples que se usa como batería. [6]
Células de biocombustible
Las celdas de biocombustible funcionan de manera similar a las baterías electroquímicas, excepto que utilizan componentes como azúcar, etanol, piruvato y lactato, en lugar de metales para facilitar las reacciones redox para producir energía eléctrica. El papel mejorado se utiliza para contener y separar los componentes positivos y negativos de la celda de biocombustible. Esta celda de biocombustible de papel se puso en marcha mucho más rápido que una celda de biocombustible convencional, ya que el papel poroso pudo absorber el biocombustible positivo y promover la unión de bacterias al biocombustible positivo. Esta batería es capaz de producir una cantidad significativa de energía después de ser activada por una amplia gama de líquidos y luego desechada. Se debe realizar algún desarrollo, ya que algunos componentes son tóxicos y costosos. [3]
Los electrolitos de origen natural pueden permitir el uso de baterías biocompatibles sobre o dentro de los cuerpos vivos. Un investigador describió las baterías de papel como "una forma de alimentar un dispositivo pequeño, como un marcapasos, sin introducir ningún químico agresivo, como el que se encuentra típicamente en las baterías, en el cuerpo". [7]
Su capacidad para utilizar electrolitos en la sangre los hace potencialmente útiles para dispositivos médicos como marcapasos , equipos de diagnóstico médico y parches transdérmicos de administración de fármacos . La empresa de salud alemana KSW Microtech está utilizando el material para controlar la temperatura del suministro de sangre . [ cita requerida ]
Supercondensadores
La tecnología de batería de papel se puede utilizar en supercondensadores . [8] [9] Los supercondensadores funcionan y se fabrican de manera similar a las baterías electroquímicas, pero generalmente son capaces de un mayor rendimiento y pueden recargarse. Se puede usar papel o papel mejorado para desarrollar supercondensadores delgados y flexibles que sean livianos y menos costosos. El papel mejorado con nanotubos de carbono generalmente se prefiere al papel normal porque tiene una mayor resistencia y permite una transferencia más fácil de electrones entre los dos metales. El electrolito y el electrodo están incrustados en el papel, lo que produce un supercondensador de papel flexible que puede competir con algunos supercondensadores comerciales producidos en la actualidad. Un supercondensador de papel sería adecuado para una aplicación de alta potencia. [3]
Nanogeneradores
Los nanogeneradores son dispositivos más recientes que convierten la energía mecánica en energía eléctrica. El papel es deseable como componente de los nanogeneradores por las mismas razones discutidas anteriormente. Dichos dispositivos pueden capturar el movimiento, como el movimiento del cuerpo, y convertir esa energía en energía eléctrica que podría alimentar luces LED, por ejemplo. [3]
Ver también
Referencias
- ^ Pushparaj, Victor L .; Shaijumon, Manikoth M .; Kumar, Ashavani; Murugesan, Saravanababu; Ci, Lijie; Vajtai, Robert; et al. (Agosto de 2007). "Dispositivos flexibles de almacenamiento de energía basados en papel nanocompuesto" (PDF) . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (34): 13575–7. doi : 10.1073 / pnas.0706508104 . PMC 1959422 . PMID 17699622 . Consultado el 23 de julio de 2014 .
- ^ "EDN: ¿Las baterías de papel son reales?" .
- ^ a b c d e f g Nguyen, T .; Fraiwan, A .; Choi, S. (2014). "Baterías de papel: una revisión". Biosensores y Bioelectrónica . 54 : 640–649. doi : 10.1016 / j.bios.2013.11.007 . PMID 24333937 .
- ^ "La batería de papel ofrece energía en el futuro" . BBC News . 14 de agosto de 2007 . Consultado el 15 de enero de 2008 .
- ^ Koo, Y .; Sankar, J .; Yun, Y. (2014). "Ánodo de magnesio de alto rendimiento en una batería de microfluidos basada en papel, que alimenta el ensayo de fluorescencia en el chip" . Biomicrofluidos . 8 (5): 7. doi : 10.1063 / 1.4894784 . PMC 4189589 . PMID 25332741 .
- ^ Zhang, K .; Li, Q .; Zhang, L .; Fang, J .; Li, J .; Qin, F .; Lai, Y. (2014). "Del papel de filtro al papel carbón y hacia la capa intermedia de la batería Li-S". Materiales Cartas . 121 : 198-201. doi : 10.1016 / j.matlet.2014.01.151 .
- ^ "Más allá de las baterías: almacenamiento de energía en una hoja de papel" . Instituto Politécnico Rensselaer . 13 de agosto de 2007 . Consultado el 15 de enero de 2008 .
- ^ Pushparaj, Victor L .; Manikoth, Shaijumon M .; Kumar, Ashavani; Murugesan, Saravanababu; Ci, Lijie; Vajtai, Robert; Linhardt, Robert J .; Nalamasu, Omkaram; Ajayan, Pulickel M. "Dispositivos flexibles de almacenamiento de energía de película delgada nanocompuestos " (PDF) . Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104, 13574-13577, 2007. Archivado desde el original (PDF) el 2010-06-10 . Consultado el 8 de agosto de 2010 .
- ^ Malti A .; Edberg E .; Granberg H .; Zia Ullah K .; Liu X .; Zhao D .; Zhang H .; Yao Y .; Brill J .; Engquist I .; Fahlman M .; Wagberg L .; Crispin X .; Berggren M. "Un conductor orgánico mixto de iones y electrones para electrónica de potencia". Advanced Science 3, 1500305, 2016. doi : 10.1002 / advs.201500305 .
- La batería imprimible sale de las prensas. Consultado el 22 de mayo de 2006.