En los laboratorios suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) han creado una batería muy singular, compuesta por tintas impresas en una tira rectangular de papel. Hace funcionar dispositivos electrónicos de bajo consumo. La clave está en dos celdas electroquímicas, separadas por agua y conectadas en serie

La idea original de esta batería de papel se debe a Gustav Nyström, de los laboratorios suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA). Consta de una celda de un centímetro cuadrado compuesta por tres tintas impresas en una tira rectangular de papel. La sal, en este caso, es simplemente cloruro de sodio o sal de mesa, se dispersa por toda la tira de papel y uno de sus extremos más cortos se sumerge en cera.

Una tinta que contiene escamas de grafito, que actúa como el extremo positivo de la batería (cátodo), se imprime en uno de los lados planos del papel, mientras que otra tinta que contiene polvo de zinc, que actúa como el extremo negativo de la batería (ánodo), está impresa en el reverso del papel. Además, se imprime otra tinta que contiene escamas de grafito y negro de carbón en ambos lados del papel, encima de las otras dos tintas.

En el trabajo que aparece en Scientific Reports, estos científicos explican que cuando se añade una pequeña cantidad de agua, las sales dentro del papel se disuelven y se liberan iones cargados, lo que hace que el electrolito sea iónicamente conductor.

Estos iones activan la batería al dispersarse a través del papel, con lo que el zinc de la tinta en el ánodo se oxida y libera electrones. Al cerrar el circuito (externo), estos electrones pueden transferirse desde el ánodo que contiene zinc, a través de la tinta con grafito y negro de carbón, los cables y el dispositivo, al cátodo de grafito donde se transfieren, reduciendo la cantidad de oxígeno del medio ambiente. Estas reacciones redox (reducción y oxidación) generan una corriente eléctrica que puede utilizarse para alimentar un dispositivo eléctrico externo de bajo consumo.

Para demostrar la capacidad de su batería para hacer funcionar dispositivos electrónicos de bajo consumo, el equipo de Nyström combinó dos celdas en una sola batería para aumentar el voltaje de funcionamiento y la utilizó para alimentar un despertador con una pantalla de cristal líquido.

El análisis del rendimiento de la batería de una celda reveló que después de añadir dos gotas de agua, la batería se activaba en 20 segundos. Cuando no estaba conectada a un dispositivo que consumiera energía, entonces alcanzaba un voltaje estable de 1,2 voltios (una pila alcalina AA estándar es de 1,5 voltios).

Después de una hora, el rendimiento de la batería de una celda disminuyó significativamente debido que el papel se secó. Sin embargo, después de que los investigadores añadieran dos gotas de agua adicionales, la batería mantuvo un voltaje operativo estable de 0,5 voltios durante más de una hora.

Los investigadores proponen que la biodegradabilidad del papel y el zinc podría permitir que su batería minimice el impacto ambiental de los dispositivos electrónicos desechables de bajo consumo.

«A diferencia de muchas baterías de metal-aire que usan una lámina de metal que se consume gradualmente a medida que se agota la batería, nuestro diseño permite agregar solo la cantidad de zinc a la tinta que realmente se necesita específicamente”, detalla Nyström.

Las láminas de metal eran más difíciles de controlar y no siempre se consumían por completo, lo que generaba un desperdicio de materiales. Por lo tanto, cuanto más zinc contenga la tinta, más tiempo podrá funcionar la batería.

“Un punto más crítico del diseño actual de la batería con activación por agua -añade Nyström-, es el tiempo que tarda en secarse, pero para aplicaciones de detección ambiental a cierta humedad o en ambientes húmedos, el secado del papel no sería un problema”.

Anteriormente, el equipo de Nyström ya había desarrollado un supercondensador degradable basado en papel, que podía cargarse y descargarse miles de veces sin perder eficiencia.

En comparación con las baterías del mismo peso, los supercondensadores tienen una densidad de energía alrededor de unas 10 veces menor, mientras que al mismo tiempo tienen una densidad de potencia entre 10 y 100 veces mayor. Por lo tanto, los supercondensadores se pueden cargar y descargar mucho más rápido.

También pueden soportar muchos más ciclos de carga y descarga. «Así que los dos dispositivos son en realidad complementarios», puntualiza Nyström. La idea detrás de la nueva batería activada por agua era poder fabricar dispositivos que estuvieran totalmente cargados y que solo liberaran esta energía tras la activación de un estímulo; en este caso, una gota de agua.

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