17 May, 2022 Revista Digital sobre Patentes, Marcas y Propiedad Intelectual

Investigador mexicano crea baterías biodegradables

Por Génesis Gatica Porcayo

Ciudad de México.  (Agencia Informativa Conacyt).- En el Instituto de Microelectrónica-Centro Nacional IMB-CNM (CSIC), en Barcelona, España, el mexicano Juan Pablo Esquivel y su equipo de trabajo desarrollaron baterías biodegradables a base de papel para dispositivos portátiles de un solo uso.

Las baterías están compuestas de materiales orgánicos como celulosa, papel carbón, cera de abeja y especies redox orgánicas como las quinonas, las cuales representan un nuevo concepto de batería primaria.

Además, el proyecto ha sido merecedor del Premi Catalunya d’Ecodisseny 2017 (Premio Cataluña de Ecodiseño) por tratarse de una innovación ambientalmente sustentable.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el investigador del IMB-CNM y exbecario Conacyt, explicó la importancia de este desarrollo que además de fabricarse mediante métodos económicos y con bajo consumo de energía, es capaz de desecharse en el campo para su degradación biológica con un mínimo impacto ambiental.

Un respiro para el ambiente

Las baterías reciben el nombre de Power PAD (Power: Portable And Disposable) y es un concepto totalmente orgánico y biodegradable basado en los principios de sostenibilidad de la electrónica ecológica.

Deg-baterias-188.jpg

Están diseñadas para funcionar de una a dos horas, con el objetivo de satisfacer las necesidades de energía de dispositivos portátiles, sin requerir instalaciones específicas de reciclaje para su eliminación y con un tiempo de degradación de pocos meses.

“El proyecto comienza a partir de un apoyo recibido de la Bill and Melinda Gates Foundation y la Electrochemical Society (ECS) y el diseño de la batería está inspirado en un bloc de notas tradicional hecho de una pila de hojas de papel, es decir, materiales orgánicos en capas”, explicó.

Su tamaño se aproxima al que puede tener una pila de botón de litio, y con los materiales orgánicos de los que está conformada puede almacenarse la energía en forma de especies redox orgánicas solubles en agua dentro de la almohadilla, representando dos semiceldas electroquímicas dormidas.

Para su activación se añade agua, orina o saliva, los cuales disuelven los reactivos que producen la energía necesaria para el funcionamiento del dispositivo electrónico y una vez agotada la energía, la batería puede eliminarse junto con los residuos orgánicos o incluso desecharse en el suelo para su descomposición natural gracias a sus materiales exclusivamente biodegradables y a que no contiene metales, plásticos ni sustancias nocivas.

“En resumen, la función de este dispositivo consta de tres pasos simples: agregar agua, extraer potencia y eliminarla sin ocasionar un impacto negativo al ambiente, sino todo lo contrario ya que es totalmente segura, no tóxica y después de varios estudios está comprobado que se biodegrada incluso más rápido que una celulosa normal”.

Energía liberada

De acuerdo con el investigador, la batería propuesta se concibe como una fuente de alimentación de un solo uso que se activa añadiendo una pequeña muestra de líquido en la almohadilla de celulosa de entrada, y cuando esta se satura fluye por capilaridad hacia cada uno de los depósitos y disuelve los electrolitos y las especies redox a base de quinonas.

Baterías-biodegradables_c7duas.jpgLa batería genera energía cuando los electrolitos entran en contacto con la almohadilla absorbente y proporcionan potencia en el rango de miliwatts. Se han hecho versiones a 0.75 V, 1.5 V y 3.0 V, que son los voltajes típicos de pilas comerciales, por lo cual es capaz de sustituir una pila de botón de litio de 3 V en un dispositivo portátil para mediciones en agua.

Además, se estima que la densidad energética de la batería es de 32 Wh/kg, un valor que se compara favorablemente con otras baterías biodegradables, pero se necesitan mejoras para alcanzar el nivel de baterías primarias convencionales como las baterías de litio.

“Una de las estrategias para obtener un mayor voltaje de salida de una batería ha sido apilar internamente varias celdas en serie, ya que los dispositivos electrónicos más utilizados requieren de un mayor voltaje, de 2.0 V a 3.0 V”, mencionó el especialista.

Electrónica verde

De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas (ONU), aumentó en el mundo el volumen de basura electrónica en ocho por ciento entre los años 2014 y 2016, lo cual consideraron un notable riesgo para el ambiente y la salud humana.

“Los materiales encontrados en estos aparatos eléctricos y electrónicos como metales ferrosos y no ferrosos, así como metales nobles, productos químicos, vidrios y plástico, han despertado alarma por las consecuencias generadas cuando se eliminan incorrectamente”.

Así, la electrónica verde es considerada un área de investigación emergente destinada a crear nuevos métodos y procesos para la producción de dispositivos electrónicos que tengan un impacto positivo en el ambiente.

Juan Pablo Esquivel mencionó que esta nueva clase de baterías de flujo capilar redox, portátiles y biodegradables es ideal para proporcionar energía a una nueva generación de dispositivos electrónicos ecológicos y que podría haber mayor exploración en su diseño, materiales estructurales y química redox.

“De momento nos hemos enfocado en desarrollar baterías primarias —no recargables— para alimentar dispositivos desechables en aplicaciones de un solo uso. Estos son los casos donde se desechan más baterías de forma descontrolada, casi totalmente cargadas, sin reciclarse correctamente y ocasionando mayor impacto ecológico”.

Además del investigador mexicano como líder del proyecto, otros cuatro colegas se unieron al trabajo cuya titularidad de la patente corresponde a las instituciones del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Simon Fraser University (SFU).

Futura comercialización

Los prototipos reportados han servido para demostrar el concepto y tienen este original diseño para facilitar su operación y caracterización en el laboratorio, donde el equipo de trabajo se dedica actualmente a desarrollar baterías en los formatos estándar, es decir, pilas con forma de botón o cilindro que podrían integrarse en aparatos electrónicos convencionales; sin embargo, la comercialización oficial de estas baterías podría llevarse a cabo en cinco años aproximadamente.

Biodeg--bateria.jpg“De momento la patente no se comercializa, me gustaría avanzar más en diversos aspectos, como ampliar el catálogo de químicas disponibles y trabajar en la arquitectura del dispositivo usando biopolímeros biodegradables que permitan su producción en gran escala”, explicó.

De acuerdo con el especialista, este trabajo se trata de una tecnología disruptiva que sigue en fase de desarrollo, pero visualiza el mismo camino de otras tecnologías de mayor madurez que han salido de su laboratorio, como su primera empresa spin-off Fuelium.

Juan Pablo Esquivel mencionó que este concepto de fuente de alimentación desechable ofrece una gran promesa de cambiar radicalmente el paradigma de la batería portátil, ya que de considerarse como un desperdicio dañino, puede tomarse como una fuente de materiales que nutren al ambiente, enriquecen el suelo o eliminan toxinas del agua.

Comparativo entre baterías alcalinas, de litio y biodegradables Power PAD

Tipo de pila Voltaje Composición Impacto al ambiente Tiempo de degradación Enfermedades al ser humano
Alcalina

AA

1.5 V Mercurio

Cadmio

Plomo

Zinc

Óxido de manganeso

Contaminación al suelo

Contaminación a ecosistema marino

Generación de gases de efecto invernadero

1000 años Infecciones estomacales

Daño cerebral

Daño renal

Daño a fetos

Cáncer

Muerte

AAA 1.5 V
Litio

Redonda

3 V Litio

Cobalto

Fósforo de hierro

Éter

Contaminación al suelo

Contaminación a ecosistema marino

Generación de gases de efecto invernadero

1000 años Fallas respiratorias

Daño al sistema nervioso

Problemas dermatológicos

Muerte

Biodegradable

Power PAD

0.75 V

1.5 V

3.0 V

Celulosa

Papel carbón

Cera de abeja

Biodegradación total     < 1 año No produce

 

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