Una batería de papel está diseñada para utilizar un espaciador formado principalmente por celulosa (el componente principal del papel). Incorpora estructuras a escala nanoscópica que actúan como electrodos de gran área superficial 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 una carcasa extensa.
La composición de estas baterías es lo que las diferencia de las baterías tradicionales. El papel es abundante y autosuficiente, lo que lo hace 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 envolver alrededor de objetos en lugar de requerir una carcasa fija. Además, al ser una hoja delgada y plana, 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, por lo que los fluidos en las baterías, como los electrolitos , se pueden mover sin el uso de una bomba externa. El uso de papel en baterías aumenta el área de superficie que se puede utilizar para integrar reactivos . El papel utilizado en las baterías de papel se puede complementar para mejorar sus características de rendimiento. Se utilizan técnicas de modelado como la fotolitografía , la impresión de cera y el micromaquinado láser para crear secciones hidrófobas e hidrófilas 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 vías eléctricas en papel para crear dispositivos eléctricos de papel y se puede integrar el almacenamiento de energía en papel. [3]
Otras ventajas incluyen:
Aunque las ventajas de las baterías de papel son bastante impresionantes, muchos de los componentes que las hacen excelentes, como los nanotubos de carbono y los patrones, son complicados y costosos. [3]
1. Propenso a desgarrarse.
2. Los nanotubos hechos de carbono son caros debido al uso de procedimientos como la electrólisis y la ablación láser.
3. No debe inhalarse, ya que puede dañar los pulmones.
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 humanos. El uso de un líquido iónico, que no contiene agua, significaría que las baterías no se congelarían ni se evaporarían, lo que potencialmente permitiría el 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.
La calidad similar al papel de la batería combinada con la estructura de los nanotubos incrustados en su interior les confiere ligereza y bajo coste, ofreciendo potencial para dispositivos electrónicos portátiles, aviones , automóviles y juguetes (como modelos de aviones ).
Las baterías utilizan nanotubos, lo que podría frenar su adopción comercial debido a su elevado coste. 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 coche. [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 .
Las baterías electroquímicas pueden modificarse para integrar el uso de papel. Una batería electroquímica normalmente utiliza 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 fluido utilizado para activar la batería. El papel que ha sido 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 funcionar durante 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 atención sanitaria, 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 alimentar dispositivos de punto de atención para la industria de la salud. El dispositivo utiliza una batería de papel fabricada con un ánodo de lámina de magnesio y un cátodo de plata que se ha utilizado para detectar enfermedades en pacientes como cáncer de riñón, cáncer de hígado y cáncer de hueso osteoblástico. El papel se estampó con cera y se puede desechar fácilmente. Además, esta batería se desarrolló a bajo costo y tiene otras aplicaciones prácticas. [5]
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 grandes capacidades de rendimiento, como un buen ciclado , una gran eficiencia y una buena reversibilidad. El uso de papel como separador es más eficaz que el uso de plástico. Sin embargo, el proceso de mejora del papel puede ser complicado y costoso, según los materiales utilizados. Se puede utilizar una película de nanotubos de carbono y nanocables de plata para recubrir papel normal y crear un separador y un soporte de batería más sencillos y económicos. El papel conductor también se puede utilizar para sustituir los productos químicos metálicos utilizados tradicionalmente. La batería resultante funciona bien, al tiempo que simplifica el proceso de fabricación y reduce el coste. 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 capas y aislamiento para que la batería funcione como se desea. Una de las razones por las que se utilizan estas técnicas complejas 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 necesarios no son respetuosos con el medio ambiente y requieren procedimientos de eliminación específicos. Las baterías de iones de litio de papel serían las más adecuadas para aplicaciones que requieren una cantidad sustancial de energía durante un período de tiempo prolongado. [3] Las baterías de iones de litio de papel pueden estar compuestas de nanotubos de carbono y una membrana a base de celulosa y producen buenos resultados, pero a un precio elevado. Otros investigadores han tenido éxito utilizando papel de carbono fabricado a partir de papel de filtro pirolizado. El papel se inserta entre el electrodo y el cátodo. El uso de un papel de carbono como capa intermedia en las baterías de Li-S mejora la eficiencia y la capacidad de las baterías. El papel de carbono 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 fácilmente al tiempo que evitan que el ánodo y el cátodo estén en contacto entre sí. Esto se traduce en una mayor salida, capacidad de la batería y estabilidad del ciclo; Se trata de mejoras respecto de las baterías de litio-azufre convencionales. El papel de carbono está hecho de papel de filtro pirolizado , que es económico de fabricar y funciona como el papel de nanotubos de carbono de paredes múltiples que se utiliza como batería. [6]
Las células 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 y producir energía eléctrica. Se utiliza papel mejorado para contener y separar los componentes positivos y negativos de la célula de biocombustible. Esta célula de biocombustible de papel se puso en marcha mucho más rápidamente que una célula de biocombustible convencional, ya que el papel poroso pudo absorber el biocombustible positivo y promover la adhesión 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 desecharse. Se debe realizar algún desarrollo, ya que algunos componentes son tóxicos y costosos. [3]
Los electrolitos naturales podrían permitir el uso de baterías biocompatibles en cuerpos vivos o en su interior. Un investigador describió las baterías de papel como “una forma de alimentar un dispositivo pequeño, como un marcapasos, sin introducir en el cuerpo ningún producto químico agresivo, como los que se encuentran normalmente en las baterías”. [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 para la administración de medicamentos . La empresa alemana de atención médica KSW Microtech está utilizando el material para alimentar el control de la temperatura del suministro de sangre . [ cita requerida ]
La tecnología de las baterías de papel se puede utilizar en supercondensadores . [8] [9] Los supercondensadores funcionan y se fabrican de forma similar a las baterías electroquímicas, pero generalmente son capaces de un mayor rendimiento y se pueden recargar. El papel, o papel mejorado, se puede utilizar para desarrollar supercondensadores delgados y flexibles que son livianos y menos costosos. El papel que se ha mejorado con nanotubos de carbono generalmente se prefiere al papel normal porque tiene mayor resistencia y permite una transferencia más fácil de electrones entre los dos metales. El electrolito y el electrodo se incrustan en el papel, lo que produce un supercondensador de papel flexible que puede competir con algunos supercondensadores comerciales producidos hoy en día. Un supercondensador de papel sería adecuado para una aplicación de alta potencia. [3]
Los nanogeneradores son dispositivos más recientes que convierten la energía mecánica en energía eléctrica. El papel es un componente deseable de los nanogeneradores por las mismas razones que se mencionaron anteriormente. Estos 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]