Batteries biodissolvables à base de probiotiques pour usage transitoire

Une équipe d’ingénieurs dirigée par un professeur de l’Université de Binghamton a dévoilé un nouveau type de batterie capable de s’auto‑décomposer. Les batteries solubles se décomposent en matériaux non nocifs, ce qui les rend idéales pour les applications médicales, environnementales et de sécurité. Voici comment la preuve de concept des batteries jetables pourrait remodeler le marché et inaugurer une nouvelle ère de solutions énergétiques sûres, efficaces et auto‑décomposables.

Déchets électroniques : le défi environnemental

Les déchets électroniques restent un problème sérieux. Le terme désigne les appareils électroniques et électroménagers jetés. Ces objets contiennent souvent des matériaux réutilisables et d’autres composants qui pourraient se décomposer et se déverser dans l’environnement s’ils ne sont pas éliminés correctement. Malheureusement, une grande partie des déchets électroniques est jetée avec les ordures ménagères, ce qui entraîne le dépôt des matériaux dans les décharges.
Les batteries sont l’un des principaux contributeurs aux déchets électroniques. Les raisons incluent le fait qu’elles deviennent obsolètes plus rapidement que d’autres composants, comme les écrans. Malheureusement, environ 95 % des composants de batterie peuvent être recyclés, mais ils restent généralement inutilisés parce que la batterie est jetée avec les déchets ordinaires. De plus, les déchets de batteries sont nocifs car ils contiennent des métaux lourds et d’autres substances toxiques qui peuvent contaminer l’environnement alentour.

Électronique verte : concept biosûr, designs solubles dans l’eau

Conscients de la nécessité de commencer le cycle de recyclage plus tôt dans la durée de vie d’un produit, les ingénieurs ont commencé à créer des électroniques durables. Ces dispositifs sont conçus pour se désintégrer de manière biosûre au fil du temps ou lorsqu’ils entrent en contact avec certains éléments comme l’eau. Ainsi, l’électronique verte pourrait aider à réduire la pollution et rendre les appareils électroniques moins nocifs pour la santé.

Électronique transitoire vs. biodégradable

Cette science a trouvé sa place dans le domaine médical, où elle est utilisée pour créer des implants pouvant se désintégrer après avoir terminé leur cycle de traitement. Les électroniques biodégradables doivent être fabriquées de manière à ne pas utiliser de matériaux laissant des résidus toxiques. De manière impressionnante, les ingénieurs ont pu s’approcher de cet objectif.

Défis des technologies de batteries biodégradables

La batterie s’est avérée être le principal obstacle technique à la réalisation d’électroniques biodégradables. L’option de batterie la plus largement utilisée est la batterie lithium‑ion, qui présente des risques importants tels que le phénomène de surchauffe incontrôlée et les produits chimiques dangereux.

Approches microbiennes et bio‑batteries : avantages et inconvénients

Un domaine de la technologie des batteries qui a connu une croissance importante est celui des bio‑batteries à base de microbes. Ces dispositifs utilisent la charge électrique générée par les activités métaboliques des microbes. Les microbes se trouvent naturellement dans le corps humain, sur la peau et dans l’intestin. Ces deux options ont été exploitées pour fabriquer des bio‑batteries. Cependant, des problèmes subsistent concernant le potentiel de cytotoxicité microbienne.

Étude sur les batteries solubles

Une équipe de scientifiques estime avoir surmonté ces restrictions avec leur dernière étude Batteries solubles à base de probiotiques: une solution énergétique sûre et biocompatible pour les applications transitoires publiée dans la revue Small. L’article explore une biobatterie transitoire alimentée par des probiotiques commercialement disponibles, qui privilégie la biosécurité et la biocompatibilité. Lorsqu’elle se dissout, elle libère des microbes bénéfiques au lieu de produits chimiques nocifs.

Composants clés de la biobatterie à base de probiotiques

Les batteries alimentées par des probiotiques utilisent quatre composants pour fournir une énergie continue et fiable. Le premier élément est une anode. La surface de l’anode est poreuse et recouverte de catalyseurs afin de permettre aux bactéries de s’y attacher plus facilement. Cette étape est cruciale pour améliorer la capacité électrogène des micro‑organismes.

Source – Binghamton University

Réservoir

Le réservoir est le composant suivant dans l’équation. Son objectif principal est de contenir le substrat microbien. Fait intéressant, l’équipe a trouvé que cette étape était l’une des plus difficiles. Ils ont décidé d’améliorer le mélange de bactéries productrices d’électricité afin d’optimiser le comportement électrocatalytique.

Mélange optimisé de souches probiotiques

L’équipe a mené des recherches approfondies sur les mélanges probiotiques utilisés. Elle a employé des techniques analytiques et expérimentales pour examiner et classer les propriétés électrogènes des mélanges. Notamment, tous ces matériaux sont disponibles dans le commerce.
Après avoir réalisé les tests, l’équipe a identifié 15 souches constituant le mélange idéal. Le mélange était principalement composé des genres Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii et Saccharomyces boulardii. Notamment, à mesure que le mélange se dissout, il génère de l’électricité lors de la libération des probiotiques.

Fonctionnalité de la membrane d’échange ionique

Les électrodes dessinées au crayon fonctionnent comme un milieu d’échange. Cette surface facilite l’échange d’ions en liant et en libérant les ions à travers une matrice insoluble. Ce processus est également utilisé dans la purification de l’eau et les procédés d’élimination des contaminants.

Conception de la cathode bleu de Prusse

Une cathode bleu de Prusse contenant des catalyseurs a été créée. Le dispositif a été conçu avec une surface d’électrode favorisant une croissance bactérienne dynamique grâce à un polymère et des nanoparticules. Cette borne négativement chargée accepte le flux de courant à travers les limites de cire imprimée et les membranes.

Revêtement polymère soluble déclenché par le pH

L’ensemble du dispositif est revêtu d’un papier soluble réactif au pH. Lorsqu’il entre en contact avec un environnement acide, il commence à se dissoudre. Le revêtement se dissout lentement afin de garantir que le dispositif libère son énergie de manière planifiée et prévisible. Cette approche contribue à améliorer la tension de sortie et la durée.
En encapsulant le substrat en papier soluble dans l’eau, la libération électrique peut être synchronisée. La membrane sensible au pH assure l’intégrité structurelle et des performances énergétiques optimales.

Batteries solubles – comment elles fonctionnent

La façon dont la batterie génère de l’électricité repose sur le métabolisme des biocatalyseurs microbiaux. Les interactions créent des réactions d’oxydoréduction qui produisent des électrons et des protons. Le courant est ensuite dirigé à travers un circuit externe. Les protons traversent la membrane d’échange ionique, qui les conduit à la cathode. Cette étape finale les réunit aux électrons, créant ainsi un circuit complet.

Conception et test des canaux microfluidiques

Pour tester leur théorie, les ingénieurs ont créé six conceptions de canaux microfluidiques. Chaque conception a été testée afin d’enregistrer ses paramètres. Les tests comprenaient la surveillance de la tension en circuit ouvert (OCV) pendant le processus de dissolution. Cette étape a permis aux ingénieurs d’obtenir une compréhension plus approfondie du design microfluidique offrant les meilleures performances.

Métriques de performance : puissance de sortie et durée

Les résultats des tests ont démontré que le dispositif pouvait fonctionner pendant 25 minutes. De plus, les échantillons testés ont généré des courants correspondant à chaque valeur de résistance. L’équipe a noté qu’en modifiant la longueur du dispositif ou en l’encapsulant avec des polymères sensibles au pH, ils pouvaient affiner la délivrance de puissance.
En utilisant cette méthode pour ajuster les paramètres de puissance, les ingénieurs n’ont pas pu prolonger la délivrance d’énergie jusqu’à plus de 100 minutes. Le groupe a noté que la batterie fournissait des sorties de module uniques de 4 µW de puissance, 47 µA de courant et une tension en circuit ouvert de 0,65 V.

Avantages des batteries solubles à base de probiotiques

Cette étude apporte une longue liste d’avantages au marché. Tout d’abord, la batterie est auto‑croissante. Les probiotiques sont produits naturellement et sont abondants. Ainsi, ils ouvrent la voie à des batteries à faible coût et facilement disponibles.

Auto‑assemblage

Un autre avantage de la batterie probiotique est qu’elle s’auto‑assemble. Il n’est pas nécessaire de créer une installation de fabrication coûteuse pour produire ces batteries. Elles peuvent s’auto‑assembler grâce aux phénomènes naturels dont dépend le dispositif.

Auto‑réparation

La nouvelle conception de batterie est capable de réparer les dommages, tout comme le corps humain se guérit. Le dispositif utilise des probiotiques, capables de rediriger et de créer de nouveaux canaux pour accomplir leurs fonctions. Cette flexibilité est complétée par leurs caractéristiques d’auto‑entretien.

Applications et calendrier du marché

Plusieurs applications de cette technologie pourraient aider à révolutionner le marché des batteries. Tout d’abord, ces unités sont parfaitement adaptées aux usages biomédicaux ou biorobotiques. Les dispositifs ne laissent aucune trace de leur existence après leur dissolution. Ainsi, ils constituent l’option idéale pour les traitements implantés.

Environnemental

Il existe également des utilisations environnementales pour cette technologie. Les ingénieurs pourraient créer des capteurs qui se biodégradent en toute sécurité après usage. Des dispositifs tels que les traceurs de tempêtes et autres technologies essentielles de surveillance météorologique pourraient être intégrés avec moins de résistance environnementale.

Sécurité matérielle

Les applications de sécurité constituent un autre domaine où cette technologie pourrait s’intégrer. Vous avez vu ce concept si vous avez déjà regardé Mission: Impossible. Lorsque le personnage principal, Ethan Hunt, reçoit ses instructions, la bande annonce qu’elle s’autodétruira avant de se dissoudre complètement.
Ce concept n’est qu’une des nombreuses façons dont la technologie des batteries jetables pourrait améliorer la sécurité. L’utilisation unique d’appareils électroniques et d’autres objets sensibles pourrait être détruite facilement grâce à ce concept, évitant ainsi les déchets et la fuite d’informations entre de mauvaises mains.

Véhicules électriques

L’utilisation de batteries solubles dans les véhicules électriques pourrait être un excellent moyen d’éviter que les décharges ne se remplissent de batteries de VE. Le marché des VE est dynamique, avec de nouveaux modèles entrant en service chaque mois. Dans de nombreux cas, la batterie constitue la principale mise à jour du nouveau dispositif. Intégrer des batteries biodégradables solubles est une façon intelligente de créer un environnement plus sûr.

Exploration spatiale

Un autre domaine où les électroniques solubles pourraient briller est celui des satellites. Des milliers de satellites orbitent actuellement autour de la Terre. Chacun d’eux représente une menace potentielle pour les autres en cas de collision. Toute collision entraînerait des milliers de petits débris tourbillonnant dans l’atmosphère, créant un mur impénétrable de débris.
Utiliser des électroniques jetables serait une façon intelligente de prévenir cette situation. Les satellites destinés à se dissoudre après la fin de leur utilisation pourraient offrir une alternative sûre qui empêche la formation de débris dès le départ.

Calendrier de commercialisation (5 à 10 ans)

Il pourrait falloir 5 à 10 ans avant que les batteries solubles n’atteignent le marché. Ces dispositifs seront utilisés dans le domaine médical, ce qui signifie qu’ils devront subir des années d’essais et de tests pour garantir leur sécurité. Après l’obtention des licences, plusieurs applications verront l’utilisation de cette technologie.

Chercheurs sur les batteries solubles

L’étude sur les batteries jetables a été dirigée par le professeur Seokheun « Sean » Choi de l’Université de Binghamton. L’article mentionne également Maedeh Mohammadifar comme rédactrice contributrice. Notamment, Chol travaille sur l’électronique jetable depuis des décennies. Son dernier projet, le papertronic jetable, a inspiré sa dernière aventure.

Orientations futures des batteries probiotiques

Interrogés sur les plans de leurs recherches, les ingénieurs ont déclaré vouloir consacrer plus de temps à l’étude des probiotiques afin de découvrir lesquels sont les meilleurs et pourquoi. Les ingénieurs estiment pouvoir identifier ceux qui possèdent des gènes électroniques supplémentaires et comment les exploiter pour obtenir de meilleures performances.

Investir dans l’industrie des batteries

Le secteur des batteries est un marché dynamique qui compte de nombreux concurrents se disputant le titre. À mesure que les VE et autres appareils fonctionnant à la batterie deviennent la norme, le besoin de batteries plus performantes et plus sûres augmente. Voici une entreprise qui a constamment stimulé l’innovation et contribué à rendre les batteries d’aujourd’hui plus sûres que jamais.

Microvast

Microvast (MVST ) a été fondée en 2006 par Yang Wu. Le fabricant de batteries basé au Texas a acquis une réputation d’innovation et de qualité au cours de ses près de deux décennies d’activité. Aujourd’hui, l’entreprise est un fournisseur leader de composants et d’alternatives pour les batteries Li‑Ion.