Conform unui raport publicat de United Nations în anul 2019, se estimează că, anual, se produc aproximativ 50 de milioane de tone de deșeuri electronice și electrice (”e-waste”), aceste deșeuri însumând peste 62,5 miliarde de dolari, mai mult decât PIB-ul majorității țărilor. Doar 20% din aceste deșeuri sunt reciclate în mod sustenabil și, potrivit directorului general al Organizației Mondiale a Sănătății, Tedros Adhanom Ghebreyesus, acest „tsunami de deșeuri electronice” presupune o cantitate enormă de substanțe chimice toxice, precum plumbul și mercurul, care nu doar că au un impact negativ asupra mediului înconjurător, dar, datorită circuitului lor în natură, ajung în alimentele consumate de oameni, dăunând sănătății acestora. De exemplu, s-a constatat faptul că în comunitățile care locuiesc în apropierea instalațiilor pentru deșeuri electronice, incidența afecțiunilor tiroidiene, a cancerului și a avorturilor spontane este mult mai mare.
Pornind de la această premisă (ideea de a inventa noi metode sustenabile pentru a minimiza cantitatea de deșeuri electronice), un grup de cercetători trei cercetători – Alexandre Poulin, Xavier Aeby și Gustav Nyström, din Dübendorf, Elveția, au publicat în revista Nature un studiu în care au documentat procesul inventării unei baterii biodegradabile, de unică folosință, fabricată din hârtie și cerneală lipsită de caracter toxic. În cazul în care se dovedește a fi scalabilă, bateria aceasta ar putea reprezenta o alternativă sigură, de unică folosință, pentru aparatele electronice cu consum energetic minimal, de mică putere. Spre deosebire de bateriile obișnuite, cele din hârtie sunt fabricate din materiale ecologice. Hârtia și zincul sunt biodegradabile, iar grafitul, parte componentă a bateriei, este netoxic. În aceeași măsură, majoritatea bateriilor clasice folosesc acizi foarte corozivi drept transporturi ai electronilor, în timp ce această baterie folosește doar apă.
Chiar dacă nu este una dintre cele mai puternice baterii inventate vreodată, reușind să atingă doar capacitatea de 1,2 V, valoare apropiată de cea livrată de o baterie AA standard care produce în jur de 1,5 V, bateria funcționând doar timp de o oră, uscându-se în cele din urmă, utilizatorii ar putea conecta în serie astfel de baterii din hârtie (ca situația în care se folosesc mai multe baterii AA pentru a alimenta cu energie un anumit dispozitiv), ceea ce ar duce la creșterea tensiunii. Spre exemplu, echipa de cercetători a reușit să alimenteze un ceas, prin utilizarea simultană a două baterii – producând, astfel, 2,4 V de electricitate. Astfel, bateria inventată s-ar putea dovedi utilă pentru alimentarea dispozitivelor de unică folosință – senzori de mică putere, dispozitive medicale clasice. Prin atingerea unui echilibru între durabilitate și eficiența energetică a bateriilor din hârtie legate în serie, echipa speră să tempereze, măcar puțin, tsunami-ul de deșeuri electronice, făcând mult mai ușor de gestionat această situație critică.
În ultimele decenii, asistăm la o utilizare tot mai intensă, în continuă creștere, a dispozitivelor electronice, iar fluxul de ”e-waste” are cea mai rapidă creștere din lume. Atenuarea riscurilor de mediu asociate unei astfel de realități necesită progrese în ceea ce privește tipul materialelor utilizate în crearea dispozitivelor, dar și în ceea ce privește modul de alimentare al acestora. Utilizarea surselor de energie regenerabilă este o soluție, precum și îmbunătățirea ratei de reciclare. Progrese notabile în această direcție s-au înregistrat prin dezvoltarea tehnologiilor de alimentare cu energie ecologică, a captatorilor de energie și a supercapacitorilor.
Bateria este formată dintr-o singură celulă compusă dintr-un substrat de hârtie, intercalat între catodul de aer și un colector de curent pe o parte și anodul de zinc și un colector de curent pe partea opusă. În figura de mai jos este reprezentată o secțiune transversală, schematică, a dispozitivului, ilustrând procesul de activare a acesteia folosind apa. Bateria este fabricată fără electrolit, menținând, efectiv, părțile anodului și catodului izolate. Atunci când sistemul este alimentat cu apă, aceasta este absorbită și difuzează cu ușurință prin substratul de hârtie, dizolvând clorura de sodiu (sarea) dispersată în hârtie și, în cele din urmă, activând celula electrochimică. În timpul descărcării, anodul de zinc este oxidat, în timp ce la catod are loc o reacție redox (de reducere a oxigenului). Deoarece reacția catodică utilizează oxigen din atmosferă, colectorul de curent, etanș, situat pe această parte a sistemului, este limitat în ceea ce privește dimensiunea. Astfel, este maximizat fluxul de oxigen, menținându-se, în același timp, rezistența de contact la o valoare cât mai scăzută.
Figura următoare reprezintă o imagine a bateriei fabricate, în forma finală, în care catodul (de aer) apare colorat în gri, colectorul de curent în negru și substratul (hârtia) în alb. Substratul de hârtie se extinde dincolo de zona activă de 1 cm2, pentru a reuși să creeze o „perdea de activare” în care apa poate fi absorbită în sistem, pentru dizolvarea sării și activarea bateriei. De asemenea, substratul este hidrofob („respinge apa”) la capătul terminalelor, pentru a se evita reacțiile electrochimice nedorite dintre acesta și firele de conectare ale dispozitivului. După cum am spus, această baterie, cu o singură celulă, a furnizat un potențial de tensiune, în circuit deschis (OCV) de 1,2 V.
Celula electrochimică a bateriei este compusă dintr-o membrană de hârtie plasată între anodul (+) pe bază de zinc și catodul (-) din aer pe bază de grafit. Colectoarele de curent, realizate din carbon, sunt utilizate pentru a extrage sarcinile din celula electrochimică și pentru a intra în contact cu circuitele externe. Dispozitivul rămâne inactiv până în momentul în care apa, care servește drept electrolit, este furnizată sistemului, pătrunzând în membrana de hârtie și solubilizând sarea. Dispozitivul este activat prin scufundarea fitilului în apă sau, implicit, în orice soluție apoasă. La bornele (terminalele) bateriei, hârtia de filtru (substratul) este impregnată cu ceară, evitându-se astfel reacțiile electrochimice ale firelor de plumb și asigurând, în același timp, stabilitatea mecanică.
În poza de mai jos, cadranul (A), este reprezentară fotografia unei baterii de hârtie, imprimată prin șablonare, peste care este scris numele instituției de cercetare (Empa – Laboratory for Cellulose and Wood Materials, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology). Bateria se dovedește a fi fiabilă în alimentarea unui dispozitiv electronic, de mică putere, cum ar fi ceasul cu alarmă cu afișaj LCD, prezentat în același cadran. Dispozitivul este compus din două celule electrochimice, separate printr-o barieră de apă, așa cum este ilustrat în cadranul (B), acestea fiind conectate în serie, așa cum este ilustrat în cadranul (C) – o secțiune schematică a bateriei cu circuit echivalent suprapus (având drept model surse de tensiune ideale, fără scăpări energetice).
Pe lângă faptul că au dezvoltat o baterie activată cu apă, de unică folosință, procesul dezvoltării acesteia având impact minimal asupra mediului înconjurător, cercetătorii au demonstrat și că poate fi realizată în forme și dimensiuni arbitrare. În ciuda puterii limitate în comparație cu alternativele standard, bateria se dovedește a fi relevantă pentru o gamă largă de produse electronice cu consum energetic redus, precum și pentru ecosistemul IoT. Lucrări viitoare au rolul de a investiga utilizarea catalizatorilor ecologici pentru a îmbunătăți rata reacției de reducere a oxigenului, precum și a materialelor anodice organice drept înlocuitor al zincului. Cercetătorii își propun și să evalueze ciclul de viață a-l bateriei, cuantificând impactul asupra mediului (CO2/kWh) al bateriei de hârtie pe care au inventat-o.
