Biodegradable batteries as sustainable power sources for portable devices

Abstract

Esta tesis presenta el desarrollo de baterías biodegradables siguiendo una aproximación alineada con los principios de sostenibilidad de la economía circular. Estás fuentes de energía están enfocadas especialmente en reducir la exorbitante cantidad de desecho eléctrico y electrónico causado ​​por el crecimiento acelerado de dispositivos electrónicos.

El presente trabajo se ha desarrollado en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, IMB-CNM (CSIC). Las baterías presentadas en esta tesis se han construido completamente a partir de materiales orgánicos y pueden fabricarse mediante métodos económicos con bajo consumo de energía. Esta tesis se compone de seis capítulos: el capítulo de introducción y cinco capítulos experimentales.

El capítulo 2 de este trabajo está dedicado a la exploración de diferentes especies redox apropiadas para el desarrollo de dispositivos ecológicos. En este capítulo, se llevó a cabo la caracterización electroquímica de diversas especies redox y de electrolitos que cumplieran los requerimientos para las baterías proyectadas. La selección de las especies redox se basó en su potencial de oxidación, solubilidad, almacenaje en estado sólido y su baja toxicidad. En el capítulo 3 se presenta el concepto PowerPAD, el desarrollo de la primera batería biodegradable hecha de papel, electrodos de carbono, especies redox orgánicas y cera de abeja. La batería tiene una degradación biótica, es decir, los microorganismos presentes en suelos y aguas pueden degradar la batería a compuestos básicos con un mínimo impacto ambiental. Esta nueva clase de baterías de flujo redox portátiles y biodegradables es ideal para proporcionar energía a una nueva generación de dispositivos electrónicos ecológicos. El capítulo 4 de esta tesis está dedicado a la fabricación de una batería de flujo capilar. Esta celda de flujo se ha diseñado como un esfuerzo para la optimización del dispositivo PowerPAD y ha utilizado los mismos materiales naturales. Sin embargo, se ha incorporado un absorbedor de celulosa al final del dispositivo que proporciona un flujo constante de las especies redox. Durante este trabajo, la evaluación electroquímica de la celda se realizó a diferentes velocidades de flujo capilar y áreas de reacción de los electrodos. De esta forma, se presenta una batería redox de flujo capilar con una optimización de su eficiencia farádica. En el quinto capítulo, se presenta un nuevo enfoque para desarrollar baterías biodegradables. La síntesis y evaluación de membranas electrolíticas a base de biopolímeros (BioPEM). Estas BioPEMs han sido fabricadas a base de polímeros naturales y compuestos orgánicos, como quitosano, celulosa liofilizada y glicerol como plastificante. Durante este capítulo fue posible llevar a cabo la síntesis de dos membranas con baja toxicidad y bajo costo de fabricación que presentaron conductividad iónica adecuada y baja migración de especies redox, características adecuadas para su uso en baterías redox primarias. El capítulo 6 de esta tesis presenta el desarrollo de una batería de botón primaria basada en hidrogeles de celulosa liofilizados, quitosano y especies redox. Este dispositivo ha sido fabricado utilizando electrodos porosos de carbono, que han sido impregnados con hidrogel redox y utiliza una BioPEM para la separación del ánodo del cátodo. Como resultado se obtiene una batería de botón con notable potencia y en armonía con el medio ambiente. Finalmente, se presentan las conclusiones generales de la tesis destacando los aspectos más remarcables de este trabajo y se definen líneas del trabajo futuro en esta prometedora investigación.

This thesis presents the development of biodegradable batteries aligned with the sustainability principles of circular economy. These energy sources are focused on reducing the exorbitant quantity of electronic waste caused by the accelerated growth of electronic devices.

The present work has been developed at the Institute of Microelectronics of Barcelona, IMB-CNM (CSIC). The batteries presented in this thesis have been completely constructed from organic materials and can be manufactured by economic methods with low energy consumption. This thesis is composed of six chapters: the introductory chapter 1 and five experimental chapters.

Chapter 2 of this work is dedicated to the exploration of different redox species appropriate for the development of ecological power sources. In this chapter, the electrochemical characterization of various redox and electrolyte species that met the requirements for the projected batteries was carried out. The selection of the redox species was based on their potential for oxidation, solubility, storage in the solid state and their low toxicity.

The third chapter presents the PowerPAD concept, the development of the first biodegradable degradable battery made of paper, carbon electrodes, organic redox species and beeswax. The battery is biotically degradable, that is, the microorganisms present in soils and waters, can degrade the battery to basic compounds with minimal environmental impact. This new class of portable, biodegradable redox flow batteries is ideal for powering the upcoming generation of green electronics devices.

Chapter 4 of this thesis is devoted to the development of a capillary-based flow battery. This flow cell has been designed as an effort to optimize the PowerPAD device and has used the same natural materials. A cellulose absorbent pad has been incorporated at the end of the device to provide a quasi-steady flow of the redox species. The electrochemical evaluation of the cell was carried out at different capillary flow rates and electrode reaction areas. In this way, the device presents an optimized faradaic efficiency.

In the fifth chapter, a new approach to develop biodegradable batteries is presented. The synthesis and evaluation of biopolymer electrolyte membranes (BioPEMs). These BioPEMs have been manufactured based on natural polymers and organic compounds, such as chitosan, lyophilized cellulose and glycerol as a plasticizer. During this chapter it was possible to carry out the synthesis of two membranes with low toxicity and low manufacturing cost that presented adequate ionic conductivity and low migration of redox species, suitable characteristics for their use in primary flow batteries.

Chapter 6 of this thesis presents the development of a primary button cell battery based on lyophilized cellulose hydrogels, chitosan and redox species. This device has been manufactured using porous carbon electrodes, which have been impregnated by the redox hydrogel matrix and uses a BioPEM to separate anode and cathode. The result is a powerful button cell battery in harmony with the environment.

Finally, the general conclusions of this thesis are presented highlighting the most remarkable aspects of this work and some of the proposed future work in this research line.