התפוצה העולמית של מכשירים אלקטרוניים הביאה נוחות חסרת תקדים, אבל היא יצרה גם משבר גובר של פסולת אלקטרונית (e-waste) על פי האו"ם, העולם מייצר יותר מ-50 מיליון טון של פסולת אלקטרונית מדי שנה, עם סוללות להיות מרכיב מסוכן במיוחד סוללות אלקטרוניות המכילות מתכות רעילות כגון להוביל, קדמיום, ורטיום, כמו גם פולימרים סינתטיים שיכולים לקחת מאות שנים כדי להגיב על ידי חומרים כימיים, לפתח את הסביבה האחרונה.

מה הם סוללות ביודות?

סוללות biodegradable הן סוג של מכשירים לאחסון אנרגיה המהנדסים לפרוץ דרך תהליכים ביולוגיים טבעיים - פעילות מיקרוביאלית בקדחתנית, הידרוליזה, או חשיפה לאאנזימים - לא מזיקים לוואי כגון פחמן דו חמצני, מים, ביומסה. בניגוד סוללות קונבנציונליות, אשר לעתים קרובות בסופו של דבר במחסנים או חומרים מוסמכים, חלופות ביו-דרדינטריות נועדו מלכתחילה למזער סביבתית, הם רק חומרים אלקטרו-מדומים לחלוטין, כי הם לא ניתן להסתמך על ידי קרינה ירוקה, אלא על ידי קרינה ביתי.

חשוב להבחין סוללות ביו-דידיות מסוללות "מבוססות על-ידי Bo", אשר עשוי לנבוע ממקורות מתחדשים אך נותרו סוללות לא-degradable. True biodegradable חייב לעמוד בסטנדרטים שנקבעו לפירוק וזמינות, כגון אלה המוגדרים על ידי ASTM D6400 או EN 13432.המטרה היא ליצור מקור כוח שפועל באופן אמין במהלך החיים התפעוליים שלה - כמה שעות לאחר מכן פעיל.

איך הם עובדים

העיקרון התפעולי הבסיסי של סוללה ביו-דידית זהה לזה של כל תא אלקטרוכימי: אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה חשמלית באמצעות תגובות של Redox ב aode ו Cathode, בעוד שמושגים עוברים דרך אלקטרוליטטה אלקטרו-כימיקלית.הבדל הוא לחלוטין בחומרים שנבחרו.עבור הגולגולת האורגנית או חומרים כגון מגנזיום, אבץ, או ברזל משמשים לעתים קרובות כי הם זמינים בשפע, בטוח יחסית, וניתן לגוון אורגני כמו כל כך, כמו כל כך, כמו כל חומר חמצן או ממין.

חידושים אחרונים בחומרים ועיצוב

התקדמות משמעותית נעשתה בהתאמת חומרים לסוללות ביו-דידיות. החוקרים נעים מעבר להפגנות הוכחה-של תפיסה כדי ליצור מכשירים עם קרינת אנרגיה ברתונות אנרגיה ופרופילי פריקה יציבים.התתת החלקים הבאים מדגישה את קטגוריות החומר המבטיחות ביותר ואת גישות העיצוב.

אלקטרוליטים אורגניים

אלקטרוליטים מסורתיים סוללות ליתיום-יון הם נוזל אורגניים מתפתלים סיכונים אש ונמשכים בסביבה. חלופות biodegradable למנף מולקולות טבעיות כגון riboflavin, קינונים, ותרכובות המבוססות על חומצה חברתית.לדוגמה, צוות באוניברסיטת שטוטגרט פיתח אלקטרוליט מבוסס מים באמצעות מלחים של חומצות אורגניות כי לא רק התנהגויות רעילות משמשות למיקרו-דלקתיים באופן רגיל, אלא גם לתאים אורגניים.

אלקטרודות ביופוחיות ו Binders

אלקטרופוסטים הם הלב של כל סוללה, והרכב שלהם משפיע מאוד על השפלה. חוקרים מחליפים כוויות פולימרים סינתטיים (כגון פוליוינילidene fluoride) עם חלופות טבעיות כמו צלולוז, שיטוסן (התדרות מפגזי דג קליפים), וחומצה פולילאקטית (PLA) שבסיסה באלקטרודות מבוססות תאים, לעתים קרובות מדגימה מאנרגיה חיידקית או עוטה, בעלת יכולת גבוהה של פחמן, בעלת יכולת מגובהו של 20 ק"ג'לוקסילית-מפס, וגמישות גבוהה, וחשמלית, ו-מפסת, ואווירה, תוך שמירה על פני כדור הארץ, תוך כדי שיפור דחוסה, תוך כדי שיפור קומפקטית של 2.

חבילות וספרדים

הסקאלה החיצונית של סוללה ביו-דידידית חייבת להגן על הרכיבים הפנימיים במהלך השימוש ולאחר מכן לפרק מיד לאחר מכן.חדשנות כוללת כיסינג שנעשו מסרטים מבוססי עמילן, פוליhydroxyalkanoates (PHAs), ואפילו חומרים אכילים כמו ג'לטין. Separators - ⁇ membranes המונע מעגלים קצרים - הם מייצור אלקטרו-spunin, כגון צלוליסטרוינדרטמין ו- קיבולת של חומרים מכנית של כדוריות ו-מסטרדנציה לשימוש לאחרונה.

אתגרים ומכשולים טכניים

למרות ההבטחה, סוללות ביו-דידיות עומדות כיום בפני כמה מכשולים שיש להתגבר עליהם לפני שהן יכולות להתחרות עם מקורות חשמל קונבנציונליים באלקטרוניקה של הזרם המרכזי.

הגבלת הכחדות אנרגיה

צפיפות האנרגיה של סוללות ביו-דיד (מחושת בוואט-שעה לקילוגרם או ליטר) נותרה נמוכה משמעותית מזו של תאי ליתיום או אלקלליין.חומרים אורגניים יש באופן טבעי מוליכות אלקטרונית נמוכה ופוטנציאלים קטנים יותר של חמצון בהשוואה לדלקתיות מתכת - לדוגמה, סוללה ביו-דבאמית טיפוסית-מסוגייתית עשויה להשיג 150h / ק"ג, בעוד athium-חמצן יכול להיות גבוה יותר מאשר חיישנים עם דביקים סביבתיים-קליים אלה.

החיים והשישים

מכיוון שחומרים ביו-דידיים נועדו לפרק, הם יציבים פחות מאשר עמיתים שאינם בעלי יכולת גבוהה. Humidity, טמפרטורה גבוהה, ופעילות מיקרוביאלית יכולה לגרום להשפלה מוקדמת, להפחית את חיי המדף בשנים עד חודשים. מהנדסים מטפלים בזה באמצעות טכניקות capsulation: ציפוי הסוללה עם שכבת שעווה דקה או פולימר איטי מגן פולימרים כי עד שהוא נחשף למנגנונים מסוימים, בנוסף לפירוק של מנגנונים מסוימים, כגון מנגנונים של מנגנונים של אטומים, כמו גם מנגנונים כגון מנגנונים כגון: מנגנונים של מנגנונים של שליטה.

שליטה על שיעור הדהגרדציה

סוללה ביולוגית אידיאלית צריכה להתפוגג במהירות לאחר שסילוק אבל להישאר שלם במהלך השימוש. Achieving איזון זה מאתגר.אם השפלה היא מהירה מדי, הסוללה נכשלת מוקדם מדי; אם איטי מדי, זה הופך פסולת מתמשכת.חוקרים הם מניפולציה של שיעורי ההשפלה על ידי התאמת גבישי של biopolymers, צפיפות חוצה-linking של רשתות פולימרים, ואת הכללה של תוסף Pro-gradable במשך כמה ימים יכול לקחת סוללה של מחזור זמן קצר לאחר מכן.

סקלאלה ועלויות

רוב רכיבי סוללות ביו-דגרד מיוצרים כיום בקנה מידה מעבדה, ותהליכי הייצור לא היו אופטימיזציה לייצור המוניות.חומרים טבעיים יכולים להיות יקרים יותר מאשר חלופות מייצור וטיהור נפט.לדוגמה, תאווז חיידקי דורש תסיסה וטיהור במורד הזרם של חומרי ליפורציה שמוסיפים את המחיר הסופי.

השפעה על E-Friendly Electronics

השילוב המוצלח של סוללות ביו-דגרדות למוצרים אלקטרוניים יכול להפוך תעשיות מרובות על ידי כך שהוא מאפשר מכשירים חד-פעמיים אך חד-פעמיים אך ורק מבחינה סביבתית.

שתלים רפואיים ולבושים

סוללות biodegradable במיוחד מושך שתלים רפואיים זמניים שאינם דורשים הסרה כירורגית שנייה.דוגמאות כוללות מערכות תרופות-delivery עבור כימותרפיה מקומית, קוצני קצבה biodegradable עבור arrhythmia לאחר הניתוח, ו גירוי עצבי עבור ניהול כאב כרוני.ב-2022, חוקרים באוניברסיטת קרנגי מללון הראו סוללה מבוססת מגנזיום המונעת טיפול אלחוטי עבור תיקון הפצע; כולל את לוחמת הגוף החכם, כמו גם לאחר טיפול תרופתי, לאחר 20 ימים לאחר טיפול תרופתי, אשר עלולים, לאחר טיפול תרופתי, לאחר טיפול תרופתי, לאחר טיפול תרופתי, כמו גם לאחר טיפול תרופתי, 000 דימום ביתי, 000, 000, אשר יכול להיות מתמוסס, לאחר טיפול תרופתי, 000 דימום כי הוא מסוגל ללבוש באופן דומה, לאחר טיפול תרופתי, לאחר דימום ביתי.

חיישנים סביבתיים וחקלאות חכמה

רשתות חיישן אלחוטיות פרוסות ביערות, באוקיינוסים או בחוות לעתים קרובות להסתמך על סוללות שקשה לאחזר.סוללות ביודגרד מציעות פתרון: הן יכולות לעצימה על לחות, חיישנים איכותיים, או תגי מעקב של חיות בר ולאחר מכן degrade באופן בלתי מזיק, חיסול הצורך באוסף. a Conortium של אוניברסיטאות אירופיות יש מדדי שטח מופעלים על ידי סוללות ביולוגיות, לאחר שרמות ניטריות ושחררו את רמת המינרלים קריטית, עד לרמה זו, לאחר מכן, הן חזרו באופן קבוע, לאחר מכן, הן ללא חומרים מזינים רדיואקטיביים, ושחררו של פחמן ומהירות לחלוטין, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר שהפכו לרמה מתקדמת לחלוטין, לאחר מכן, עד שהפכה לחלוטין, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, ירידה של פחמן מתמשכת של חומרים מזינים רדיואקטיבית, ללא חומרים מזינים רדיואקטיביים, ללא חומרים מזינים אלה, ללא חומרים מזינים רדיואקטיביים, ללא חומרים מזינים יציבים, ללא חומרים מזינים יציבים, ללא חומרים מזינים אלה, ללא חומרים מזינים אלה, וגרם לחלוטין, ללא חומרים מזינים רדיואקטיביים, ללא פחמן וגרם לחלוטין, לאחר מכן, ללא חומרים מזינים יציבים, ללא פחמן, ללא חומרים מזינים יציבים, 000, 000, 000

Single-Use Electronics ו-Smart Packaging

אלקטרוניקה חד-פעמית - כגון תוויות חכמות, צגים תאימות תרופות, ואריזות אינטראקטיביות - המהווים פלח גדל במהירות של סוללות אלקטרוניות-השמדה יכול להפוך את המוצרים האלה למפורשים לחלוטין.לדוגמה, סוללה משולבת לתוך תווית אריזה מזון יכול לכפות אינדיקטור של טריות ולאחר מכן להיות disposed של יחד עם האריזה במתקן מגובש.

מוצרי אלקטרוניקה ו-Mobiles

עבור מכשירים בעלי ערך גבוה כמו טלפונים חכמים ומחשבים ניידים, סוללות ביו-דידות עדיין לא ניתנות להשגה עקב צפיפות אנרגיה ודרישות כוח.עם זאת, הם עשויים למצוא שימוש בכוח עזר למקרים טעינה אלחוטית, שעונים חכמים, ועוד חומרים דלים כוח היקפיים כוח נמוך אחרים בטווח הארוך, מחקר בחומרי קטודה אורגניים גבוהים ושיפור אלקטרוליטים יכול לדחוף ביצועים biodegradable לתוך טווח פתוח כיום על ידי יישומים צריחים רחב יותר.

קווי עתיד וגבולות מחקר

תחום סוללות ביו-דגרד מתקדם במהירות, עם מספר שדרות מרגשות תחת חקירה.

ננוטכנולוגיה ו- 3D Architectures

(Nanostructing אלקטרודות - שימוש בחומרים כמו גרפן, צינורות פחמן, או תחמוצת מתכת nanocent - יכול לשפר באופן דרמטי את שטח פני השטח ואת תחבורה המטען. בעוד גרפן עצמו אינו biodegradable, החוקרים מתקדמים חוקרת תרכובות היברידיות עם nanofibers cellulose המשלבת מוליכות גבוהה עם biodegradability. 3D הדפסה של אלקטרודות biodegradable מאפשר שליטה מדויקת על פני חומרים גאומטריה ו-Facted, 000, 000, 000, 000 מופעלת לחלוטין על ידי אימון מבוסס סוללה מבוססת סוללה:

היברידית וביו מבוססת Supercapacitors

אלטרנטיבה סוללות מלאות הם supercapacitorsable biodegradable, אשר לאחסן אלקטרוסטטי אנרגיה ולא מבחינה כימית. הם מציעים צפיפות כוח גבוהה יותר חיי מחזור חיים יותר אבל צפיפות אנרגיה נמוכה יותר.שלב supercapacitor בעל צפיפות גבוהה ביולוגית עם סוללה ביו-דידנטית בחבילה אחת יכול להניב מכשיר היברידי מתאים למכשירים הדורשים התפרצויות של כוח גבוה יחד עם אחסון אנרגיה יציב.

Biodegradable Solid-State Batteries

סוללות מוצקות-מדינה, אשר מחליפות אלקטרוליטים נוזליים עם אלקטרוליט מוצק, הן בטוחות יותר ויציבות יותר. חוקרים עובדים כעת על אלקטרוליטים מוצקים המיוצרים פולימרים ביו-דידנטיים כגון פוליcaprolactone ופוליאתילן oxideed עם מלחים טבעיים. a 2023 הוכחה-of-of-of-ofתפיסה מאוניברסיטת טוקיו הפגינו מצב ביולוגי מוצק עם גישה אלקטרו-מבוגרת מבוססת תאים של 500 קומות, ללא יכולת דליפה מוקדמת.

שילוב עם אנרגיה

כדי להרחיב את הפונקציונליות של מקורות אנרגיה ביו-דידגרדיים, החוקרים מצמידים אותם עם מערכות אנרגיה-הארכיטינג כגון תאים סולאריים גמישים או גנרטורים תרמואלקטריים.המכשיר כולו – מקור כוח-עוצמה, אלקטרוניקה וסוללה – ניתן לתכנן להיות ביו-דידה.לדוגמה, חיישן סביבתי מופעל-עצמי יכול להיות מקבץ עם תא גשם סולארי בעל ערך רב-ממדומי ומזג-ת ביולוגית, כמו שבועות של מעקבים רגישים.

שיקולים סביבתיים וכלכליים

בעוד סוללות ביו-דגרד מבטיח מופחת פסולת, ההשפעה הסביבתית המלאה שלהם יש להעריך באמצעות ניתוח מחזור חיים (LCA) הקטנת סוללות ביופוחיות נפוצות לעתים קרובות דורש קלטות חקלאיות (יבשה, מים, דשנים) ועיבוד אנרגיה רגיש. טביעת הרגל פחמן של כמה סוללות ביו-מבוגרות יכול להיות גבוה יותר מאשר סוללות קונבנציונליות אם הייצור מסתמך על אנרגיה מבוססת דלק מבוסס דלק או אם הביומסה הוא גדל בפירוק של חומרים כימיים, לעתים קרובות יותר, במיוחד עבור חומרים כימיים, אשר ניתן להגדיל את היתרונות של חומרים כימיים מסוימים של חומרים כימיים, אך ורקמותיים של חומרים כימיים מסוימים של חומרים כימיים.

מסקנה

סוללות ביודגרדיות מייצגות צעד פורץ דרך לעבר אלקטרוניקה בת קיימא באמת.על ידי החלפת חומרים רעילים ומתמשכים עם פולימרים טבעיים, אלקטרוליטים אורגניים, מתכות בטוחות, החוקרים יוצרים מקורות כוח שיכולים לתפקד ביעילות ולאחר מכן להיעלם ללא עקבות הנוכחיים - צפיפות אנרגיה, יציבות, עלות ובקרת הפחתת משקל - הם מטופלים באמצעות מדע חומרים חדשניים, ננוטכנולוגיה, עיצוב מערכת.