Energía
Baterías biológicas disolubles impulsadas por probióticos para uso transitorio
Un equipo de ingenieros liderados por un profesor de la Universidad de Binghamton ha presentado un nuevo tipo de batería que puede autodestruirse. Las baterías disolubles se descomponen en materiales no dañinos, lo que las hace ideales para su uso en aplicaciones médicas, ambientales y de seguridad. A continuación, se explica cómo la prueba de concepto de las baterías desechables podría cambiar el mercado y dar paso a una nueva era de soluciones de energía seguras y efectivas que se autodestruyen.
Residuos electrónicos: El desafío ambiental
Los residuos electrónicos siguen siendo una preocupación grave. El término se refiere a electrónicos y electrodomésticos descartados. Estos artículos a menudo contienen materiales reutilizables y otros componentes que podrían descomponerse y filtrarse en el medio ambiente si no se eliminan adecuadamente. Desafortunadamente, un gran porcentaje de residuos electrónicos se descarta en la basura doméstica, lo que resulta en que los materiales terminen en vertederos.
Las baterías son uno de los principales contribuyentes a los residuos electrónicos. Las razones de esto incluyen que se vuelven obsoletas más rápido que otros componentes, como las pantallas. Desafortunadamente, aproximadamente el 95% de los componentes de las baterías se pueden reciclar, pero en su mayoría se desperdician debido a que la batería se descarta junto con la basura normal. Además, los residuos de baterías son perjudiciales porque contienen metales pesados y otras sustancias tóxicas que pueden contaminar el área circundante.
Electrónica verde: Diseños biosseguros y solubles en agua
Reconociendo la necesidad de comenzar el ciclo de reciclaje antes en la vida útil de un producto, los ingenieros han comenzado a crear electrónica sostenible. Estos dispositivos están diseñados para desintegrarse de manera biossegura con el tiempo o cuando están en contacto con ciertos artículos como el agua. Como tal, la electrónica verde podría ayudar a reducir la contaminación y hacer que la electrónica sea menos perjudicial para la salud.
Electrónica transitoria vs. bioabsorbible
Esta ciencia ha encontrado un hogar en el campo médico, donde se utiliza para crear implantes que se pueden desintegrar después de completar su ciclo de tratamiento. La electrónica bioabsorbible debe fabricarse de una manera que no utilice materiales que dejen residuos tóxicos. Impresionantemente, los ingenieros han logrado acercarse a este objetivo.
Desafíos en las tecnologías de baterías bioabsorbibles
La batería ha demostrado ser el único obstáculo técnico para hacer que la electrónica bioabsorbible sea una realidad. La opción de batería más utilizada es la batería de iones de litio, que plantea riesgos significativos como la carrera térmica y los productos químicos peligrosos.
Enfoques de bio-baterías y microbianas: Ventajas y desventajas
Un área de la tecnología de baterías que ha experimentado un crecimiento significativo es la de las bio-baterías basadas en microbios. Estos dispositivos utilizan la carga eléctrica creada por las actividades metabólicas de los microbios. Los microbios se encuentran naturalmente en el cuerpo humano, en la piel humana y en el intestino. Ambas opciones han sido aprovechadas para crear bio-baterías. Sin embargo, siguen siendo problemas con el potencial de citotoxicidad microbiana.
Estudio de baterías disolubles
Un equipo de científicos cree que han superado estas restricciones con su último estudio Baterías disolubles impulsadas por probióticos: una solución de energía biossegura y biocompatible para aplicaciones transitorias publicado en la revista Small. El artículo profundiza en una biobatería transitoria impulsada por probióticos comercialmente disponibles que prioriza la biosseguridad y la biocompatibilidad. Cuando se disuelve, libera microbios beneficiosos en lugar de productos químicos perjudiciales.
Componentes clave de la biobatería de probióticos
Las baterías impulsadas por probióticos utilizan cuatro componentes para entregar energía continua y confiable. El primer componente es un ánodo. La superficie del ánodo es porosa y está cubierta con catalizadores para permitir que las bacterias se adhieran a ella más fácilmente. Este paso es crucial para mejorar la capacidad electrogena de los microorganismos.
Fuente – Universidad de Binghamton
Reservorio
El reservorio es el siguiente componente en la ecuación. Su propósito principal es contener el alimento microbiano. Resulta interesante que el equipo encontrara que este paso fue uno de los más difíciles. Decidieron mejorar la mezcla de bacterias productoras de electricidad para mejorar el comportamiento electrocatalítico.
Mezcla de cepas de probióticos optimizada
El equipo realizó una investigación exhaustiva sobre las mezclas de probióticos utilizadas. Utilizaron técnicas analíticas y experimentales para revisar y clasificar las propiedades electrogenas de las mezclas. Notablemente, todos los materiales utilizados son comercialmente disponibles.
Después de realizar la prueba, el equipo determinó 15 cepas que serían la mezcla ideal. La mezcla consistió principalmente en los géneros Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii y Saccharomyces boulardii. Notablemente, a medida que la mezcla se disuelve, genera electricidad a medida que los probióticos se liberan.
Funcionalidad de la membrana de intercambio iónico
Los electrodos dibujados con lápiz operan como un medio de intercambio. Esta superficie facilita el intercambio de iones al unir y liberar iones a través de una matriz insoluble. Este proceso también se utiliza en los procesos de purificación de agua y eliminación de contaminantes.
Diseño de cátodo de azul de Prusia
Se creó un cátodo de azul de Prusia que contiene catalizadores. El dispositivo se diseñó con una superficie de electrodo que admite un crecimiento bacteriano vibrante utilizando polímeros y nanopartículas. Este terminal negativamente cargado acepta el flujo de corriente a través de los límites de cera impresa y las membranas.
Revestimiento de polímero disoluble por pH
El dispositivo completo está cubierto con un papel disoluble que es reactivo al pH. Cuando entra en contacto con un entorno ácido, comienza a disolverse. El recubrimiento se disuelve lentamente para asegurarse de que permita que el dispositivo libere su energía de manera planificada y predecible. Este enfoque ayuda a mejorar la salida de voltaje y duración.
Al encapsular el sustrato de papel soluble en agua, se puede programar la liberación eléctrica. La membrana sensible al pH garantiza la integridad estructural y el rendimiento óptimo de energía.
Baterías disolubles – Cómo funcionan
La forma en que la batería genera electricidad es mediante el uso del metabolismo de los biocatalizadores microbianos. Las interacciones crean reacciones redox que generan electrones y protones. La corriente se dirige a través de un circuito externo. Los protones viajan a través de la membrana de intercambio iónico, que los entrega al cátodo. Este último paso los reúne con los electrones, creando un circuito completo.
Diseño y prueba del canal microfluídico
Para probar su teoría, los ingenieros crearon seis diseños de canales microfluídicos. Cada diseño se probó para registrar sus parámetros. Las pruebas incluyeron monitorear el voltaje de circuito abierto (OCV) durante el proceso de disolución. Este paso permitió a los ingenieros obtener una comprensión más profunda de qué diseño microfluídico produjo el mejor rendimiento.
Métricas de rendimiento: Salida de energía y duración
Los resultados de las pruebas demostraron que el dispositivo podría mantener operaciones durante 25 minutos. Además, las muestras de prueba generaron salidas de corriente correspondientes a cada valor de resistencia. El equipo observó que al manipular la longitud del dispositivo o encapsularlo con polímeros sensibles al pH, podrían ajustar la entrega de energía.
Utilizando este método para manipular los parámetros de energía, los ingenieros no pudieron extender la entrega de energía a +100 minutos. El grupo observó que la batería entregó salidas de módulo único de 4 µW de energía, 47 µA de corriente y un voltaje de circuito abierto de 0,65 V.
Beneficios de las baterías disolubles de probióticos
Hay una larga lista de beneficios que este estudio aporta al mercado. Por un lado, la batería es de crecimiento propio. Los probióticos son naturalmente producidos y abundantes. Como tal, abren la puerta a baterías de bajo costo y fácilmente disponibles.
Autoensamblaje
Otro beneficio de la batería de probióticos es que es autoensamblada. No hay necesidad de crear una instalación de fabricación costosa para producir estas baterías. Pueden autoensamblarse ya que el dispositivo depende de eventos naturales.
Auto-reparación
El nuevo diseño de batería es capaz de reparar daños al igual que el cuerpo humano se cura. El dispositivo utiliza probióticos, que son capaces de redirigir y crear nuevos canales para completar sus tareas. Esta flexibilidad se complementa con sus características de auto-mantenimiento.
Aplicaciones y cronograma de mercado
Hay varias aplicaciones para esta tecnología que podrían ayudar a revolucionar el mercado de baterías. Por un lado, estas unidades son perfectas para usos biomédicos o biorróbicos. Los dispositivos no dejan rastro de su existencia después de disolverse. Como tal, son la opción ideal para tratamientos implantados.
Ambiental
Hay usos ambientales para esta tecnología también. Los ingenieros podrían crear sensores que se biodegraden de manera segura después de su uso. Artículos como rastreadores de tormentas y otra tecnología de monitoreo meteorológico vital podrían integrarse con menos resistencia ambiental.
Seguridad de hardware
Las aplicaciones de seguridad son otra área donde esta tecnología podría encontrar un hogar. Usted ha visto este concepto si alguna vez ha visto Misión: Imposible. Cuando el personaje principal, Ethan Hunt, recibe sus instrucciones, la cinta anuncia que se autodestruirá antes de disolverse completamente.
Este concepto es solo uno de los muchos modos en que la tecnología de baterías desechables podría ayudar a mejorar la seguridad. El uso único de electrónica y otros artículos sensibles podría destruirse fácilmente utilizando este concepto, evitando residuos y previniendo que la información caiga en manos no deseadas.
EV
El uso de baterías disolubles en vehículos eléctricos podría ser una excelente manera de asegurarse de que los vertederos no se llenen de baterías de vehículos eléctricos. El mercado de vehículos eléctricos es un mercado rápido con nuevos modelos que entran en servicio mensualmente. En muchos casos, la batería es la principal actualización en la unidad más nueva. Integrar baterías biodegradables y disolubles es una forma inteligente de crear un entorno más seguro.
Exploración espacial
Otra área donde la electrónica disoluble podría brillar es en satélites. Hay miles de satélites orbitando la Tierra actualmente. Cada uno plantea una amenaza potencial para los demás si colisionan. Cualquier colisión resultaría en miles de artículos más pequeños que serían arrojados alrededor de la atmósfera, creando una barrera impenetrable de escombros.
Utilizar electrónica desechable sería una forma inteligente de prevenir esta situación. Los satélites que estaban destinados a disolverse después de que su uso expire podrían proporcionar una alternativa segura que evite la formación de escombros en primer lugar.
Cronograma de comercialización (5-10 años)
Podrían pasar 5-10 años antes de que las baterías disolubles lleguen al mercado. Estos dispositivos verán uso en el campo médico, lo que significa que deberán someterse a años de pruebas y ensayos para garantizar su seguridad. Después de obtener la licencia, hay varias aplicaciones donde esta tecnología verá uso.
Investigadores de baterías disolubles
El estudio de baterías desechables fue liderado por el profesor de la Universidad de Binghamton Seokheun “Sean” Choi. El artículo también enumera a Maedeh Mohammadifar como escritora contribuyente. Notablemente, Chol ha trabajado en electrónica desechable durante décadas. Su último proyecto, papertrónica desechable, ayudó a inspirar su última aventura.
Direcciones futuras en baterías de probióticos
Cuando se les preguntó sobre los planes para su investigación, los ingenieros declararon que querían pasar más tiempo estudiando probióticos para descubrir cuáles son los mejores y por qué. Los ingenieros creen que pueden determinar cuáles poseen genes electrónicos adicionales y cómo utilizarlos para crear un mejor rendimiento.
Invertir en la industria de baterías
El sector de las baterías es un mercado rápido con muchos competidores que luchan por el título. A medida que los vehículos eléctricos y otros dispositivos alimentados por baterías se convierten en la norma, el deseo de baterías más capaces y seguras aumenta. Aquí hay una empresa que ha impulsado constantemente la innovación y ha ayudado a hacer que las baterías de hoy sean más seguras que nunca.
Microvast
Microvast (MVST ) fue fundada en 2006 por Yang Wu. El fabricante de baterías con sede en Texas ha asegurado una reputación por innovación y calidad durante casi dos décadas de operaciones. Hoy en día, la empresa es un proveedor líder de componentes de baterías de iones de litio y alternativas.
(MVST )
Microvast tiene operaciones en Estados Unidos, China y Alemania, y ha recibido numerosos premios por sus innovaciones. En 2013, recibió el premio al proveedor de baterías de iones de litio líder. Ese mismo año, la empresa logró abrir la primera estación de carga de vehículos eléctricos de ultra-alta velocidad. En 2019, su sistema de batería de alta densidad de energía y seguro ganó el premio R&D 100.
Hoy en día, Microvast es un líder en innovación de baterías. La empresa trabaja específicamente con LTO (óxido de titanato de litio) y otras alternativas de iones de litio. Estos nuevos diseños de baterías ofrecen carga ultra-rápida, ciclo de vida ultra-largo y cumplen con los estándares de seguridad más altos.
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Por qué las baterías disolubles son un juego cambiador
La idea de una batería que se disuelve puede parecer ciencia ficción, pero la prueba de concepto demuestra lo contrario. Esta tecnología ayudará a los profesionales médicos a crear implantes más avanzados y útiles, a los exploradores espaciales a viajar más lejos y a desechar residuos de manera segura, y ayudará a reducir el impacto de los residuos electrónicos a nivel mundial. Por estas razones, la batería disoluble puede considerarse un hito importante.
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Estudios referenciados:
, , , Baterías disolubles impulsadas por probióticos: una solución de energía biossegura y biocompatible para aplicaciones transitorias. Small 2025, 21, 2502633. https://doi.org/10.1002/smll.202502633
