Construcción, funcionamiento y aplicaciones de baterías de papel

Una batería de papel es básicamente un dispositivo que puede actuar como condensador y como batería. Se trata de un dispositivo flexible y ligero formado por nanotubos de carbono en relieve sobre papel (celulosa). Está formado básicamente por combinación de celulosa con nanotubos de carbono. Consiste en la infusión de nanotubos de carbono con papel que consta de un líquido iónico como electrolito.

Batería de papel
Batería de papel

Construcción de baterías de papel:

En realidad, existen muchas formas de construir baterías de papel.

El primer y más importante método para construir baterías de papel fue propuesto e iniciado por Robert Linhardt, químico del Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York. Se colocaron capas de celulosa (papel) sobre nanotubos de carbono conductores. Aunque la combinación sería un material resistente para construir baterías, sin embargo, surgía el problema cuando los materiales se deshacían al flexionarse. Yi Cui, científico de materiales de la Universidad de Stanford en Palo Alto (California), encontró una solución.

Él y su equipo de investigadores crearon una tinta de nanotubos de carbono suspendiéndolos en agua y un tensioactivo orgánico. Esta tinta se distribuyó uniformemente sobre una hoja de papel. A medida que el papel entintado se calentaba en el horno para eliminar el agua, los nanotubos se adhirieron firmemente a las fibras del papel y se creó una hoja de papel altamente conductora.

A continuación se presentan tres formas de crear baterías de papel:

1. El primer método consiste en fabricar cátodos y ánodos a base de zinc y dióxido de manganeso. Las baterías se imprimen en papel utilizando una prensa de serigrafía estándar.

Este papel está impregnado de nanotubos de carbono alineados que se utilizan como electrodo. Este papel se sumerge en una solución de líquido iónico que actúa como electrolito.

2. El segundo método es un poco complejo e implica hacer crecer nanotubos sobre un sustrato de silicio. Luego, los huecos en la matriz se llenan con celulosa y una vez que la matriz se seca, se retira la combinación de celulosa y nanotubos. De este modo se crean hojas de papel formadas por capas de nanotubos de carbono. Dos de estas láminas se combinan para formar un supercondensador con un líquido iónico como sangre, sudor u orina humanos que se utiliza como electrolito.

3. El tercero es un método sencillo y puede construirse en un laboratorio. Consiste en esparcir una tinta especialmente formulada a base de nanotubos de carbono sobre una hoja rectangular de papel recubierta con una solución iónica. Luego se lamina una fina película de litio en el otro lado del papel. Luego se conectan varillas de aluminio para transportar corriente entre los dos electrodos.

Piezas de batería de papel
Piezas de batería de papel

4. El cuarto método consiste en recubrir un sustrato de acero inoxidable con nanotubos de carbono. El sustrato revestido se seca a 80 grados Celsius durante cinco minutos y después se retira el material. Se utiliza un par de películas para cada batería de papel y cada película se pega a diferentes electrolitos como LTO y LCO. Luego se intercala un papel entre las dos películas usando pegamento.

Proceso de construcción de baterías de papel
Proceso de construcción de baterías de papel

Proceso de trabajo de las baterías de papel:

El funcionamiento interno de las baterías de papel es similar al de las baterías convencionales y cada batería genera aproximadamente 1,5 V.

Si podemos recordar, las baterías tradicionales funcionan de la manera en que partículas cargadas positivas llamadas iones y partículas cargadas negativas llamadas electrones se mueven entre electrodos positivos llamados ánodo y electrodo negativo llamado cátodo. La corriente fluye cuando los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través del conductor, ya que el electrolito es un aislante y no proporciona un camino libre para que viajen los electrones.

Trabajo de baterías de papel
Trabajo de baterías de papel

De manera similar, en algunas baterías de papel, los nanotubos de carbono actúan como cátodo, el metal es el ánodo y el papel es el separador.

La reacción química entre el metal y el electrolito da como resultado la producción de iones, mientras que la reacción química entre el carbono y el electrolito da como resultado la producción de electrones. Estos electrones fluyen del cátodo al ánodo a través del circuito externo.

Seis razones importantes por las que las baterías de papel son mejores que sus homólogas convencionales:

  1. Las baterías de papel tienen una larga duración.
  2. No son tóxicos ya que no implican reacciones químicas nocivas.
  3. Son flexibles y pueden doblarse o cortarse sin que ello afecte a su eficiencia. Esto se debe al hecho de que están hechos de materiales como celulosa y nanotubos de carbono que tienen una alta resistencia a la tracción.
  4. Son desechables ya que están compuestos de celulosa que es biodegradable y no tóxica.
  5. Se pueden utilizar en condiciones climáticas adversas como calor y frío. Esto se debe a que el electrolito no contiene agua, lo que hace que la batería funcione en el rango de -73 a 149 grados Celsius.
  6. Utilizan nanotubos de carbono, que son uno de los conductores de electricidad más eficientes.

¿Dónde se pueden utilizar las pilas de papel?

La batería de papel puede resultar beneficiosa para aplicaciones donde la portabilidad y el tamaño son el principal requisito. Los equipos electrónicos modernos, como las tarjetas inteligentes y los relojes digitales, facilitan la necesidad de baterías delgadas que sean duraderas y no tóxicas.

Computadoras portátiles: uno de los últimos ejemplos en tiempo real de computadoras portátiles es Google Glass. En realidad, es una gafa normal con una pantalla óptica montada en la cabeza y Glass es una computadora en forma de par de anteojos e incluye una pantalla óptica montada en la cabeza que permite al usuario usar un teléfono inteligente.

También se puede utilizar para dispositivos de bajo consumo como calculadoras, relojes de pulsera y dispositivos de comunicación inalámbrica como ratones, auriculares Bluetooth, teclados, etc.

¿Cuáles son las limitaciones de las baterías de papel?

  1. Dado que la celulosa tiene una baja resistencia al corte, estas baterías tienen poca resistencia y pueden romperse fácilmente.
  2. La construcción de nanotubos de carbono es cara.