a) Спроектированная батарея в исходном и разном растянутом состоянии. б) Тест пропускной способности ниже 20 мкА см−2 плотность тока разряда разработанной батареи при различных уровнях растяжения. в) Применение батареи при питании датчика давления — обнаружение давления пальцев. г) Напряжение, измеряемое через резистор и батарею при нажатии пальца на стол.
Автор: Advanced Energy and Sustainability Research (2025). DOI: 10.1002/aesr.202400402
Исследователи из Института устойчивого развития в инженерии и дизайне Троттье при Макгилле разработали эластичную, экологичную батарею, подходящую для использования в носимых и имплантируемых устройствах. Батарея, которая использует лимонную или молочную кислоту и желатин для достижения гибкости и производительности без зависимости от токсичных материалов, способна уменьшить количество электронных отходов.
«В нашей лаборатории мы используем много аккумуляторов для носимых устройств, но со временем они перестают работать и выбрасываются», — сказала научный руководитель Шармиста Бхадра, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии. «В этом проекте спросили, можем ли мы создать что-то биоразлагаемое и растягиваемое, что при этом хорошо работает.»
Вдохновлён лимонами
Электроды в обычных батареях часто изготавливаются из тяжёлых металлов. Исследователи заменили эти вредные компоненты магнием и молибденом, которые часто используются в биоразлагаемых аккумуляторах и легче разлагаются в окружающей среде. Однако более ранние исследования показали, что биоразлагаемые батареи на основе магния имеют более низкую производительность, чем обычные.
Чтобы решить эту проблему, исследователи протестировали две природные кислоты — молочную и лимонную кислоты, смешанные с желатином, и обнаружили, что добавление любой из этих кислот решает проблему.
«Магний может образовывать слой, который останавливает реакцию между электролитом и электродом», — объяснил аспирант Цзюньчжи Лю, руководивший разработкой и тестированием аккумуляторов. «Мы обнаружили, что можем разрушить этот слой с помощью лимонной или молочной кислоты и увеличить срок службы батареи и её напряжение.»
Бхадра сказал, что идея использования лимонной кислоты была вдохновлена общим детским научным проектом. «Многие делают лимонную батарейку в детстве, когда медный провод подключается к лампе. В лимоне достаточно ионов для проведения электричества», — сказала она. «Я предложил Цзюньчжи посмотреть лимонную кислоту.»
Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy and Sustainability Research.
Дизайн в стиле желатин и киригами обеспечивают растягиваемость
Чтобы сделать батарею более растягиваемой, исследователи подвесили обе кислоты в желатине. Они также вырезают батарею по схеме киригами — технике, позволяющей материалам сгибаться и растягиваться, не ломаясь. Хотя структуры киригами уже использовались в растягиваемой электронике, их применение в биоразлагаемых батареях пока относительно новое. В этой конструкции исследователи обнаружили, что можно растянуть батарею до 80% без ущерба её производительности.
Команда также протестировала аккумулятор в датчике давления для имитации реального использования. Они обнаружили, что при подключении к устройству она вырабатывает немного меньше мощности, чем батарея AA (1,3 вольта против 1,5 вольт).
«Мы хотели проверить, можем ли мы запустить настоящую носимую устройство или датчик», — сказал Бхадра. «Поэтому Цзюньчжи создал сенсорное устройство, которое носит на пальце и питается от батарейки.»
Она добавила, что дизайн идеально подходит для медицинских имплантатов и носимых устройств, но также может питать гибкие устройства Интернета вещей.
Решение проблемы электронных отходов
Команда ищет отраслевых партнёров для продолжения разработки. Следующие шаги включают повышение производительности, миниатюризацию батареи для имплантируемого использования и интеграцию конструкции с биоразлагаемыми схемами.
«Вся цель — решить растущую проблему электронных отходов», — сказал Бхадра. «Если пойдёшь на свалку, увидишь выброшенную электронику, накопившуюся годами. Мы не очень хорошо умеем перерабатывать [электронные отходы]; Большая часть из них попадает в страны с низким уровнем дохода. Возможно, мы сможем решить часть проблемы, разработая биоразлагаемую электронику.»
Дополнительная информация: Цзюньчжи Лю и др., Желатин-биоразлагаемые аккумуляторы на основе органической кислоты для эластичной электроники, Advanced Energy and Sustainability Research (2025). DOI: 10.1002/aesr.202400402
Кэй Петтигрю, Университет Макгилла