4 Agosto 2022
12:40

Come funziona la batteria di carta usa e getta che si attiva con una goccia d’acqua

Sviluppata da un team di ricerca dell’EMPA, potrebbe essere utilizzata per alimentare un’ampia gamma di dispositivi elettronici monouso a bassa potenza, come etichette intelligenti, sensori ambientali e dispositivi diagnostici medici.
A cura di Valeria Aiello
La batteria di carta è costituita da due celle elettrochimiche collegate in serie alle due estremità della striscia di carta, separate da una barriera d’acqua (tra le lettere «m» e «p» / credit: Empa
La batteria di carta è costituita da due celle elettrochimiche collegate in serie alle due estremità della striscia di carta, separate da una barriera d’acqua (tra le lettere «m» e «p» / credit: Empa

Si sta facendo un gran parlare sul web di un’innovativa batteria di carta usa e getta, che si attiva semplicemente con qualche goccia d’acqua e promette di rivoluzionare il mondo delle tecnologie energetiche e dell’elettronica: il suo sviluppo si deve a un team di ricerca dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA) guidato dal professor Gustav Nyström del Dipartimento di Scienze e Tecnologie della Salute dell’ETH Zurigo, che ha ideato una tecnologia di alimentazione green in grado di fornire una densità di energia tale da far funzionare un’ampia gamma dispositivi elettronici a bassa potenza, come etichette intelligenti, sensori ambientali e dispositivi diagnostici medici, riducendo al minimo il loro impatto ambientale. Ma come funziona?

Come descritto in un articolo pubblicato dai ricercatori sulla rivista Scientific Reports di Nature, la batteria è composta da almeno una cella elettrochimica metallo-aria di un centimetro quadrato, stampata con tre diverse tipologie di inchiostro su una piccola striscia di carta rettangolare: su un lato della carta viene stampato il primo inchiostro a base di polvere di zinco, che costituisce il polo negativo della batteria (anodo), mentre sull’altro lato viene messo un inchiostro contenente scaglie di grafite, che funge da polo positivo (catodo). Infine, un terzo inchiostro contenente scaglie di grafite e nerofumo (un pigmento) è stampato su entrambi i lati della carta, sopra gli altri due inchiostri. Sulla carta, che ha il compito di separare i due elettrodi, è applicato un elettrolita – in questo caso semplicemente cloruro di sodio o sale da cucina – e una delle sue estremità più corte viene immersa nella cera.

Oltre alla biodegradabilità intrinseca, alla sostenibilità e al basso costo della carta, questo design sfrutta il suo comportamento naturale di traspirazione e la natura igroscopica – precisano gli studiosi – . La batteria rimane inattiva fino a quando non entra in contatto con l’acqua, che viene poi assorbita passivamente e trasportata attraverso la membrana di carta, attivando così la batteria”.

In altre parole, una volta aggiunta qualche goccia d’acqua, i sali all’interno della carta si disciolgono lungo tutta la striscia, e gli ioni carichi vengono rilasciati, rendendo così l’elettrolita ionicamente conduttivo. Questi ioni attivano la batteria, provocando l’ossidazione dello zinco all’anodo, che rilascia elettroni. “Chiudendo il circuito, questi elettroni possono quindi essere trasferiti dall’anodo contenente zinco al catodo di grafite, dove a loro volta vengono trasferiti (riducono) l’ossigeno dall’aria ambientale – precisano gli studiosi – . Queste reazioni redox generano quindi una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo elettrico esterno”.

(a) illustrazione della batteria di carta attivata dall’acqua; (b) immagine di una batteria a cella singola; (c) fotografia di una batteria di carta stampata scrivendo il nome dell’istituto di ricerca (Empa); (d) batteria a due celle elettrochimiche separate da una barriera d’acqua e collegate in serie; (e) illustrazione della batteria con il suo circuito equivalente sovrapposto (per sorgenti di tensione) / Scientific Reports
(a) illustrazione della batteria di carta attivata dall’acqua; (b) immagine di una batteria a cella singola; (c) fotografia di una batteria di carta stampata scrivendo il nome dell’istituto di ricerca (Empa); (d) batteria a due celle elettrochimiche separate da una barriera d’acqua e collegate in serie; (e) illustrazione della batteria con il suo circuito equivalente sovrapposto (per sorgenti di tensione) / Scientific Reports

Per dimostrare la capacità della loro batteria di alimentare dispositivi elettronici a basso consumo, il team di Nyström ha combinato due celle in una batteria per aumentare la tensione operativa, impiegandola per far funzionare una sveglia con un display a cristalli liquidi.

L’analisi delle prestazioni di una singola cella ha rivelato che, dopo l’aggiunta di due gocce d'acqua, la batteria si è attivata in 20 secondi e, quando non collegata a un dispositivo che consuma energia, ha raggiunto una tensione stabile di 1,2 volt. In confronto, la tensione di una batteria alcalina AA standard è di 1,5 volt. Dopo un’ora, le prestazioni sono notevolmente diminuite a causa dell’essiccazione della carta. Tuttavia, dopo che i ricercatori hanno aggiunto due gocce d’acqua in più, la batteria ha mantenuto una tensione operativa stabile di 0,5 volt per più di un'ora aggiuntiva.

La biodegradabilità della carta e dello zinco, sottolineano i ricercatori, potrebbe consentire a questo tipo di batterie di ridurre al minimo l’impatto ambientale dell’elettronica usa e getta a bassa potenza. “La particolarità del nostro dispositivo è che, a differenza di molte batterie metalliche ad aria che utilizzano una lamina metallica che si consuma gradualmente man mano che la batteria si esaurisce, il suo design consente di impiegare la quantità di zinco effettivamente necessaria per la specifica applicazione, aggiungendola all’inchiostro utilizzato in fase di stampa – ha spiegato Nyström – . Le lamine metalliche sono invece più difficili da controllare e non sempre si consumano completamente, portando a uno spreco di materiali. Quindi più zinco contiene l’inchiostro, più a lungo la batteria è in grado di funzionare”.

Un punto più critico dell’attuale design con attivazione ad acqua, ha evidenziato l’esperto, è il tempo che trascorre prima che la carta si asciughi, pur rassicurando sul fatto che, per aggirare questo problema, sia comunque possibile progettare la batteria in modo diverso. Ad ogni modo, per le applicazioni di rilevamento ambientale a una certa umidità o in ambienti umidi, l’asciugatura della carta non sarebbe chiaramente di ostacolo alla sua applicazione.

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