6 minute read
Duurzame elektronica
from IM20213NL
Na twee maanden in de grond begraven te zijn, is de condensator uiteengevallen, waardoor er slechts enkele zichtbare koolstofdeeltjes achterblijven (Afbeelding: Gian Vaitl/ Empa)
Advertisement
De verwachting is dat het aantal data verzendende microprocessoren, bijvoorbeeld in de verpakkings en transportlogistiek, de komende jaren sterk zal toenemen. Al die miniapparaten hebben energie nodig, meestal van batterijen, en daaraan kleven milieubezwaren. Empaonderzoekers hebben nu een biologisch afbreekbare minicondensator ontwikkeld die dat probleem kan oplossen. Het bestaat uit onschuldige materialen als koolstof, cellulose, glycerine en keukenzout. Verder gebruikten ze een conventionele, aangepaste, commercieel verkrijgbare 3Dprinter. De echte innovatie zit dan ook niet zozeer in het apparaat, maar in het recept voor de gelatineuze inkt die de printer op een oppervlak kan printen. Dat mengsel bestaat uit cellulosenanovezels en cellulosenanokristallen, plus koolstof in de vorm van carbon black, grafiet en actieve kool. Om alles vloeibaar te maken, gebruiken de onderzoekers glycerine, water, twee verschillende soorten alcohol en een snufje keukenzout voor de geleidbaarheid.
Om van deze ingrediënten een functionerende supercondensator te maken, zijn vier lagen nodig, allemaal gemaakt door de 3Dprinter: een flexibel substraat, een geleidende laag, de elektrode en ten slotte de elektrolyt. Die worden vervolgens gerangschikt in sandwichstructuur, met de elektrolyt in het midden. Zo ontstaat een soort minicondensator die urenlang elektriciteit kan opslaan en inmiddels in staat is om een kleine digitale klok van stroom te voorzien. Het is bestand tegen duizenden laad en ontlaadcycli en jarenlange opslag, zelfs bij vriestemperaturen en is bestand tegen druk en schokken. En last but not least, aan het einde van de levensduur is de batterij eenvoudig composteerbaar. Na twee maanden is de condensator gedesintegreerd, en zijn nog maar enkele koolstofdeeltjes zichtbaar. Volgens EMPA zou deze biocondensator een belangrijk onderdeel kunnen worden van het Internet of Things. Dergelijke condensatoren kunnen bijvoorbeeld kort worden opgeladen met behulp van een elektromagnetisch veld, waarna ze urenlang stroom kunnen leveren aan
een sensor of een microzender. Dat kan dan weer worden gebruikt om bijvoorbeeld de inhoud van afzonderlijke pakketten tijdens verzending te controleren. Ze zouden ook kunnen worden ingezet om energie te leveren aan sensoren in milieumonitoring of in de landbouw. En ze hoeven niet te worden ingezameld, omdat ze simpelweg in de natuur kunnen worden achtergelaten om daar biologisch te worden afgebroken.
Meer bij EMPA>
Video De biologisch afbreekbare batterij bestaat uit vier lagen, allemaal gemaakt door een 3D-printer. Het is opgevouwen als een sandwich, met de elektrolyt in het midden (Afbeelding: Gian Vaitl/Empa)
Knowledge and networking event
Materials+Eurofinish+Surface 2021
The central meeting place in the Benelux with all the aspects for a good and durable final product
15 and 16 September 2021 09.30 a.m. – 5.00 p.m. Brabanthallen, ‘s-Hertogenbosch (NL)
Free entrance Register directly via www.materials-eurofinish-surface.com
More info:
www.materials-eurofinish-surface.com
This you can discover:
• Inspiring exhibition floor with over 100 exhibitors • Focus on materials, analysis, bonding and surface techniques • Extensive and high-quality conference program • International Meet & Match • Demonstrations and innovations • VIP Meeting Areas • Presentation of the Borghardt Award • Simultaneously with Kunststoffenbeurs • Simultaneously with Nederlandse Metaaldagen
Organization:
Duurzame elektronica (2) Batterij degradeert op commando
De introductie van lithiumion (Liion) batterijen heeft een revolutie teweeggebracht, wat heeft geleid tot een enorme ontwikkeling in consumptiegoederen in bijna alle sectoren. Maar de populariteit heeft een keerzijde. Ze zorgen ook voor problemen op het gebied van duurzaamheid en milieuimpact. De huidige Liionbatterijen gebruiken aanzienlijke hoeveelheden metalen, waaronder lithium, kobalt en nikkel en zijn verantwoordelijk voor een serieuze milieubelasting. Slechts een klein percentage van de Liionbatterijen wordt gerecycled, waardoor de vraag naar kobalt en andere schaarse elementen nog meer toeneemt.
Een multidisciplinair onderzoeksteam van de Texas A&M University (TAMU) heeft nu een nieuw metaalvrije batterijtechnologie ontwikkeld die zou kunnen leiden tot duurzamere, recyclebare batterijen. In een artikel gepubliceerd in het meinummer van Nature, schetsen ze hun onderzoek naar een nieuwe batterijtechnologie die volledig metaalvrij is, door gebruik te maken van een organische radicaalconstructie van polypeptiden. Volgens de onderzoekers zijn deze polypeptidebatterijen afbreekbaar, recyclebaar, niet giftig en over de hele linie veiliger. De volledig polypeptide organische radicaalbatterij, samengesteld
Metaalvrije, recyclebare, polypeptide batterij (Bron: Texas A&M Engineering)
uit redoxactieve aminozuurmacromoleculen, lost volgens de betrokken onderzoekers ook het probleem van recycleerbaarheid op. De componenten van het nieuwe apparaat kunnen op commando (onder zure omstandigheden) worden afgebroken tot aminozuren, en andere relatief onschedelijke afbraakproducten. Volgens TAMU is de ontwikkeling van deze metaalvrije, volledig organische batterij die ook nog eens op commando kan worden afgebroken, een belangrijke stap in de richting van duurzame, recyclebare batterijen. Dat is belangrijk voor het milieu en verkleint bovendien de afhankelijkheid van strategische metalen.
Veel meer bij TAMU>
Het onderzoek werd uitgevoerd door prof. Jodie Lutkenhaus, Axalta Coating Systems en prof. Karen Wooley, Department of Chemistry. Het artikel ‘Polypeptide organic radical batteries’ werd eerder dit jaar gepubliceerd in de meieditie van Nature.
De samenvatting staat online>
Een 3D-weergave van de eerste volledig recyclebare, geprinte transistor (Duke)
Ingenieurs van Duke University claimen ‘s werelds eerste volledig recyclebare geprinte elektronica te hebben ontwikkeld. Het gaat om een op koolstof gebaseerde transistor, die vooral is bedoeld als inspiratiebron om de groeiende berg aan elektronisch afval te bestrijden. Het onderzoek werd op 26 april gepubliceerd door het tijdschrift Nature Electronics, onder de titel ‘Printable and recyclable carbon electronics using crystalline nanocellulose dielectrics’. Probleem van het elektronisch afval is dat is dat het vaak moeilijk te recyclen is. Hoewel koper, aluminium en staal prima kunnen worden gerecycled, ligt dat bij siliciumchips heel anders. Een team onder leiding van Aaron Franklin, professor Electrical and Computer Engineering aan de Duke University, heeft nu een volledig recyclebare, functionele transistor gemaakt met op koolstof gebaseerde inkten die eenvoudig op papier of andere flexibele, milieuvriendelijke oppervlakken kunnen worden geprint. De truc van het systeem zit hem in het gebruik van een nanocelluloseinkt. De onderzoekers ontwikkelden een methode voor het suspenderen van nanocellulose kristallen afkomstig van houtvezels, wat een inkt opleverde die het uitstekend bleek te doen als isolator in hun geprinte transistors. Met behulp van de drie inkten en een spuitbusprinter fabriceerden de onderzoekers volledig op koolstof gebaseerde transistors die goed genoeg bleken te zijn voor gebruik in een breed scala aan toepassingen. Het team demonstreerde vervolgens de recyclebaarheid van het systeem. Met een aantal eenvoudige processtappen (wekentrillencentrifugeren) konden de nanocellulose en het grafeen vrijwel volledig worden teruggewonnen. Beide materialen kunnen vervolgens opnieuw worden gebruikt in hetzelfde printproces, zonder verlies aan eigenschappen. En omdat de nanocellulose uit hout is gewonnen, kan het simpelweg samen met het papier waarop het is gedrukt, worden gerecycled. Volgens Franklin is het onderzoek overigens vooral bedoeld als inspiratiebron. Hij denkt dat recyclebare elektronica zoals deze niet de hele chipindustrie van een half biljoen dollar op zijn kop zal zetten, maar hoopt dat dit soort nieuwe materialen werkt als stimulans voor de ontwikkeling van een nieuw type elektronica.
