Исследователи из Института устойчивого развития в инженерии и дизайне Троттьера при Университете Макгилла разработали эластичную, экологичную батарею, подходящую для использования в носимых и имплантируемых устройствах. Эта батарея, в которой используются лимонная или молочная кислота и желатин для достижения гибкости и производительности без использования токсичных материалов, призвана сократить количество электронных отходов.
«В нашей лаборатории мы используем много батареек для носимых устройств, но со временем они перестают работать и их приходится выбрасывать», — говорит научный руководитель Шармишта Бхадра, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. «В этом проекте мы задались вопросом, можем ли мы создать что-то биоразлагаемое и эластичное, но при этом сохраняющее свои эксплуатационные характеристики».
Вдохновлено лимонами
Электроды в обычных аккумуляторах часто изготавливаются из тяжёлых металлов. Исследователи заменили эти вредные компоненты магнием и молибденом, которые обычно используются в биоразлагаемых аккумуляторах и которые легче разлагаются в окружающей среде. Однако более ранние исследования показали, что биоразлагаемые аккумуляторы на основе магния имеют более низкую производительность, чем обычные.
Чтобы решить эту проблему, исследователи протестировали две природные кислоты — молочную и лимонную, смешанные с желатином, и обнаружили, что добавление любой из этих кислот решает проблему.
«Магний может образовывать слой, который останавливает реакцию между электролитом и электродом», — пояснил докторант Цзюньчжи Лю, руководивший разработкой и испытаниями аккумуляторов. «Мы обнаружили, что можем разрушить этот слой лимонной или молочной кислотой и увеличить срок службы аккумулятора и его напряжение».
Бхадра рассказала, что идея использовать лимонную кислоту пришла к ней под влиянием детского научного проекта. «Многие в детстве мастерят лимонную батарейку, подключая медную проволоку к лампочке. В лимоне достаточно ионов, чтобы проводить электричество», — сказала она. «Я предложила Джунжи изучить лимонную кислоту».
Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy and Sustainability Research.
Желатин и дизайн в стиле киригами обеспечивают эластичность.
Чтобы сделать батарею эластичной, исследователи растворили обе кислоты в желатине. Они также вырезали батарею в форме киригами – техники, позволяющей материалам изгибаться и растягиваться, не ломаясь. Хотя структуры киригами уже использовались в эластичной электронике, их применение в биоразлагаемых батареях пока относительно ново. В этой конструкции исследователи обнаружили, что могут растягивать батарею до 80% без ущерба для её производительности.
Команда также протестировала батарею в датчике давления, имитируя её использование в реальных условиях. Они обнаружили, что при подключении к устройству она вырабатывает немного меньше энергии, чем батарейка типа АА (1,3 вольта против 1,5 вольта).
«Мы хотели проверить, сможем ли мы создать настоящее носимое устройство или датчик», — сказал Бхадра. «Поэтому Джунжи создал сенсорное устройство, которое надевается на палец и работает от аккумулятора».
Она добавила, что данная конструкция идеально подходит для медицинских имплантатов и носимых устройств, но также может питать гибкие устройства Интернета вещей.
Решение проблемы электронных отходов
Команда ищет отраслевых партнёров для продолжения разработки. Следующие шаги включают повышение производительности, миниатюризацию аккумулятора для имплантируемого использования и интеграцию конструкции с биоразлагаемыми схемами.
«Вся суть в том, чтобы решить растущую проблему электронных отходов», — сказал Бхадра. «Если вы пойдёте на свалку, то увидите, как выброшенная электроника годами скапливается там. Мы не очень хорошо справляемся с переработкой [электронных отходов]; большая их часть оказывается в странах с низким уровнем дохода. Возможно, мы сможем решить часть проблемы, разработав биоразлагаемую электронику».
Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК
