Биоразлагаемые батареи: экологичная альтернатива для носимой электроники

Исследователи из Университета Макгилла представили инновационную разработку – гибкую и биоразлагаемую батарею, призванную снизить объемы электронных отходов. Это решение идеально подходит для носимых и имплантируемых устройств, поскольку в его основе лежат безопасные, экологически чистые компоненты, а не токсичные материалы.

Основная идея проекта заключалась в создании батареи, которая будет не только хорошо работать, но и разлагаться в окружающей среде после использования. По словам руководителя исследования, доцента Шармистры Бхадры, обычные батареи для носимых устройств быстро выходят из строя и становятся причиной растущей проблемы электронных отходов.

Эко-составляющая: природные кислоты и биосовместимые материалы

Традиционные батареи часто содержат тяжелые металлы, которые наносят вред окружающей среде. В новой разработке вместо них используются магний и молибден – металлы, легко поддающиеся биоразложению. Однако, как показали предыдущие исследования, магниевые биоразлагаемые батареи демонстрируют более низкие показатели производительности по сравнению с обычными. Чтобы решить эту проблему, команда исследователей экспериментировала с двумя природными кислотами – молочной и лимонной – в сочетании с желатином. Добавление любой из этих кислот позволило устранить недостатки.

«Магний может образовывать защитный слой, препятствующий реакции между электролитом и электродом», – поясняет аспирант Джунчжи Лю, возглавлявший разработку и тестирование батареи. «Мы обнаружили, что с помощью лимонной или молочной кислоты этот слой можно разрушить, тем самым увеличив срок службы батареи и ее напряжение».

Идея использовать лимонную кислоту пришла Бхадре из детских научных экспериментов: «Многие в детстве делали лимонную батарейку. Лимон содержит достаточно ионов для проведения электричества», – говорит она. «Я предложила Джунчжи рассмотреть лимонную кислоту».

Гибкость и долговечность: желатин и дизайн в стиле киригами

Для достижения гибкости батареи исследователи использовали желатин в качестве основы, в которую были включены кислоты. Кроме того, конструкция батареи была выполнена в стиле киригами – техники, позволяющей материалам растягиваться и изгибаться без разрыва. Хотя киригами-структуры уже применялись в гибкой электронике, их использование в биоразлагаемых батареях – относительно новое направление. Эксперименты показали, что разработанная батарея может растягиваться до 80% без потери производительности.

Команда также провела испытания батареи в составе датчика давления, имитируя реальные условия эксплуатации. Было установлено, что при подключении к устройству батарея выдает немного меньшее напряжение, чем стандартная батарейка типа AA (1.3 вольта против 1.5 вольта). «Мы хотели проверить, сможет ли наша батарея питать реальное носимое устройство или датчик», – отметила Бхадра. «Поэтому Джунчжи собрал чувствительный к прикосновениям палец-датчик, работающий от этой батареи».

По мнению разработчиков, такая конструкция идеально подходит для медицинских имплантатов и носимых гаджетов, а также может применяться для питания гибких устройств в рамках Интернета вещей.

Решение проблемы электронных отходов

В настоящее время команда ищет промышленных партнеров для дальнейшего развития проекта. Следующие шаги включают повышение производительности, миниатюризацию батареи для имплантации и интеграцию с биоразлагаемыми схемами. «Главная цель – решить растущую проблему электронных отходов», – подчеркнула Бхадра. «Свалки завалены выброшенной электроникой, которая лежит там годами. Мы пока не очень хорошо справляемся с переработкой электронных отходов, большая их часть попадает в развивающиеся страны. Возможно, разрабатывая биоразлагаемую электронику, мы сможем внести свой вклад в решение этой проблемы».