Singapur Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden (NTU Singapur) bilim insanları, esnek ve giyilebilir elektronik sistemlere güç sağlamak adına çevresel açıdan sürdürülebilir bir seçenek haline gelebilecek kağıt inceliğinde biyolojik olarak parçalanabilen çinko piller geliştirdiler.
NTU Singapur tarafından geliştirilen çinko piller, hidrojel ile güçlendirilmiş selüloz kağıdın her iki tarafına serigrafi baskılı elektrotlardan (elektrik akımının pilden çıktığı veya pile girdiği) oluşuyor.
Pil bittiğinde toprağa gömülebilir ve bir ay içinde tamamen biyolojik olarak parçalanabilir özelliğe sahip.
Yapılan deneylere göre 4cm x 4cm kare basılı kağıt pil, küçük bir elektrikli fanı en az 45 dakika çalıştırabilme kapasitesine sahip. Pilin bükülmesi güç kaynağını kesmiyor.
Bir LED’e güç sağlamak için 4cm x 4cm’lik pil kullanılan başka bir deneyde, kağıt pilin parçalarının kesilmesine rağmen LED’in halen yandığı gözlemlendi, bu da kağıt pili kesmenin pilin işlevselliğini etkilemediğini gösteriyor.
Bilim insanları, biyobozunur bu kağıt pillerinin halihazırda piyasada bulunan katlanabilir akıllı telefonlar veya sağlık izleme amacıyla kullanılan biyomedikal sensörler gibi esnek elektronik cihazlara entegre edilebileceğini düşünüyorlar.
Çevre Dostu Bir Alternatif
Bakteriler, mantarlar ve diğer mikroorganizmalar tarafından doğal olarak parçalanan hidrojel ve selüloz sayesinde, pil ömrünün sonunda toprağa gömülebilir ve birkaç hafta içinde bozularak tamamen biyolojik olarak parçalanabilir bir ürün haline gelebilir.
NTU bilim insanları, kağıt pilin biyolojik olarak parçalanabilirliğini göstermek için onu NTU kampüsündeki bir çatı bahçesinin toprağına gömdüler.
Hidrojel ile güçlendirilmiş selüloz kağıt iki hafta sonra kırılmaya başladı ve bir ay içinde tamamen bozuldu.
Prof Fan, “Dekompozisyon gerçekleştiğinde elektrot malzemeleri çevreye salınıyor. Katotlarda kullanılan nikel veya manganez, doğal minerallerin formuna yakın olan oksit veya hidroksit formlarında kalacaktır. Anotta bulunan çinko, toksik olmayan bir hidroksit oluşturmak için doğal olarak oksitlenecektir. Bu, pilin mevcut pillere göre daha sürdürülebilir bir alternatif olma potansiyeline işaret ediyor.” diyor.
NTU Fizik ve Matematik Bilimleri Okulu’ndan Profesör Fan Hongjin ve çalışmanın baş yazarı: “Geleneksel piller çeşitli model ve boyutlarda gelir ve cihazınız için doğru türü seçmek zahmetli bir süreç olabilir. Çalışmamız sayesinde, verim kaybı olmadan istenilen şekil ve boyutlarda kesilebilen tek bir büyük pil parçası geliştirerek pil üretmenin daha basit ve daha ucuz bir yolunu gösterdik. Bu özellikler, kağıt pillerimizi kademeli olarak geliştirilmekte olan esnek elektronik türlerine entegrasyon için ideal hale getiriyor.” diyor.
NTU Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Okulu’ndan Yardımcı Doçent Lee Seok Woo ve çalışmanın yardımcı yazarı: “Geliştirdiğimiz kağıt pilin, basılı kağıt pilimizin elektronik atık sorununa potansiyel olarak yardımcı olabileceğine inanıyoruz, -toksik ve pil bileşenlerini kapsüllemek için alüminyum veya plastik muhafazalar gerektirmez. Paketleme katmanlarından kaçınmak, pilimizin daha küçük bir sistem içinde daha yüksek miktarda enerji ve dolayısıyla güç depolamasını da sağlıyor.” diyor.
‘Sandviç tarzı’ pil üretimi
Piller, elektrik enerjisi üreten bir elektrokimyasal reaksiyon yoluyla cihazlara güç sağlar. Bir pilin iç işleyişi genellikle metal veya plastik bir kasanın içine yerleştirilmiştir. Bu kasanın içinde katot ve anot vardır – bunlar elektrokimyasal reaksiyonların meydana geldiği elektrotlardır.
Katot ve anot arasına eklenen bir ayırıcı bir bariyer oluşturur ve elektrotların temas etmesini engellerken, elektrik yükünün aralarında serbestçe akmasına izin vererek kısa devreleri önler.
Ayrıca pilin içinde elektrolit olarak bilinen ve elektrik yükünün katot ile anot arasında akmasını sağlayan bir ortam bulunur.
NTU bilim insanları, ambalaj gerektirmeyen daha ince, daha hafif bir prototip geliştirmek için bir “sandviç tasarımı” benimsediler – elektrotlar ekmek dilimleri gibidir ve elektrotların üzerine basıldığı selüloz kağıt sandviç dolgu gibidir.
Üretim süreci, selülozda doğal olarak bulunan lif boşluklarını doldurmak için selüloz kağıdının hidrojel ile güçlendirilmesiyle başlar. Bu, ‘elektrot mürekkepleri’ olarak formüle edilen ve hidrojel takviyeli selüloz kağıdın her iki tarafına serigrafi baskılı elektrotların karışmasını etkili bir şekilde önleyen yoğun bir ayırıcı oluşturur.
Elektrotlar yazdırıldıktan sonra pil elektrolite daldırılır. Daha sonra, pilin iletkenliğini artırmak için elektrotların üzerine bir altın ince folyo tabakası kaplanır. Nihai ürün yaklaşık 0,4 mm kalınlığındadır – yaklaşık iki insan saçı teli kalınlığında.
İleriye dönük olarak, NTU ekibi, basılı kağıt pilin diğer basılı elektronik cihazlara, elektronik kaplamalara ve ayrıca ortamda konuşlandırılmış enerji depolama sistemlerine tam entegrasyonunu göstermeyi umuyor.
