Bateria z papieru i wody może zmniejszyć ilość odpadów elektronicznych

Ilość zużytej elektroniki narasta w szybkim tempie, co zmusza naukowców do poszukiwania nowych sposobów ograniczenia tego rodzaju odpadów. Ostatnio jeden z zespołów opracował aktywowaną wodą jednorazowe ogniwo z papieru i innych ekologicznych materiałów.

Kable, ekrany i baterie wchodzące w skład naszych urządzeń – nie wspominając już o plastiku, metalu i innych materiałach wykorzystywanych do ich obudowy – zapełniają składowiska niebezpiecznymi odpadami. Niektóre e-odpady mają stosunkowo duże rozmiary – choćby telefony komórkowe starszego typu, klimatyzatory i radioodbiorniki. Inne są zdradliwe, na przykład elektroniczne zestawy do diagnostyki medycznej jednorazowego użytku, czujniki środowiskowe i inteligentne etykiety z jednorazowymi bateriami (bateria to zespół połączonych ogniw, jednak potocznie „baterią” nazywa się też pojedyncze ogniwa).

„To właśnie te maleńkie baterie stanowią olbrzymi problem – mówi Dele Ogunseitan, specjalista w zakresie zdrowia publicznego z University of California w Irvine, który jest badaczem zielonych technologii oraz doradcą dużych firm technologicznych i nie był zaangażowany w prace nad tą baterią. – Nikt tak naprawdę nie zwraca uwagi na to, gdzie one w końcu trafiają”.

Naukowcy ze szwajcarskiego Laboratorium Celulozy i Materiałów Drzewnych działającego w ramach Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) pracują nad rozwiązaniem tego problemu. Ich nowa praca opublikowana w czasopiśmie „Scientific Reports” opisuje aktywowane wodą papierowe ogniwo wykonane z przyjaznych dla środowiska materiałów, które mogłoby zastąpić bardziej szkodliwe ogniwa powszechnie stosowane w urządzeniach niskiej mocy. Papierowa bateria ma takie same zasadnicze komponenty, jak zwykła, lecz zrobione w inny sposób. Jak każde ogniwo chemiczne, ma elektrodę o potencjale dodatnim – katodę, i elektrodę o potencjale ujemnym – anodę, przedzielone substancją przewodzącą zwaną elektrolitem. Tradycyjnie umieszcza się je w obudowie z plastiku i metalu; natomiast w ogniwie nowego typu anoda i katoda są atramentami nadrukowanymi po obu stronach kartki papieru. Papier ten jest nasycony solą, która rozpuszcza się, gdy zostanie on zwilżony wodą. Powstały w ten sposób roztwór soli pełni funkcję elektrolitu.

Wykorzystanie zrównoważonych materiałów było dla badaczy warunkiem wstępnym – przy tworzeniu koncepcji baterii wzięli pod uwagę wyłącznie nietoksyczne i łatwo dostępne składniki. „Byliśmy w miarę pewni, że w końcu uzyskamy coś, co będzie działać, lecz dobranie odpowiednich materiałów i atramentów okazało się dość trudne” – mówi Gustav Nyström, kierownik Laboratorium Celulozy i Materiałów Drzewnych i główny autor pracy. Po wypróbowaniu setek formuł na komponenty ogniwa, badacze zdecydowali się na grafitowy atrament jako katodę, cynkowy atrament jako anodę oraz papier nasycony chlorkiem sodu jako elektrolit. Gdy papier jest suchy, bateria nadaje się do długiego przechowywania. Wystarczy jednak dodać kilka kropel wody, a zawarta w papierze sól się rozpuszcza, umożliwiając przepływ elektronów. Po zwilżeniu bateria aktywuje się w ciągu 20 s. Jej siła elektromotoryczna (napięcie na zaciskach ogniwa, gdy obwód jest otwarty, SEM) wynosi 1,2 V (dla porównania, baterii typu AA około 1,5 V). SEM tego nowego ogniwa spada w miarę wysychania papieru. Gdy jednak podczas testów ponownie zmoczono papier, ogniwo odzyskało sprawność i wytrzymało kolejną godzinę przed ponownym wyschnięciem.

Jakkolwiek badacze zademonstrowali, że ich bateria jest w stanie zasilić budzik, jednorazowe papierowe baterie raczej nie zastąpią standardowych paluszków AA na półkach sklepowych. Nyström przewiduje, że w przyszłości baterie takie będą umieszczane w testach diagnostycznych i czujnikach środowiskowych, najlepiej w zestawieniu z innymi komponentami ze zrównoważonych materiałów, jak ekrany i obudowy. Ta przyszłość może nie być wcale tak odległa.

Trudno jest przewidzieć, ile zajmie wdrożenie produkcji papierowych baterii na wielką skalę, lecz Nyström twierdzi, że jest w kontakcie z potencjalnymi partnerami z przemysłu i jest przekonany, że mogłyby one trafić do produktów rynkowych w ciągu najbliższych dwóch-pięciu lat. „Wydajność, jaką wykazuje ta bateria, jest moim zdaniem wystarczająca dla wielu zastosowań już teraz” – mówi. To głównie kwestia rozwinięcia produkcji i integracji baterii w układach takich, jak testy diagnostyczne i czujniki środowiskowe.

„Wszystko tak naprawdę zaczyna się od znalezienia pozyskiwanych w zrównoważony sposób materiałów – wyjaśnia Nyström. – Myślę, że udało nam się stworzyć coś, co jest w znacznym stopniu użyteczne”.