Imagina poder generar electricidad aprovechando la humedad del aire que te rodea con solo elementos cotidianos como sal marina y un trozo de tela, o incluso abastecer dispositivos electrónicos cotidianos con una batería no tóxica que es tan delgada como el papel.
Un equipo de investigadores del College of Design and Engineering (CDE) de la National University of Singapore (NUS) ha desarrollado un producto innovador, un nuevo dispositivo de generación de electricidad impulsado por la humedad (MEG) hecho de una capa delgada de tela, de aproximadamente 0,3 milímetros de espesor, sal marina, tinta de carbón y un gel especial absorbente de agua.
El concepto del dispositivo de generación de electricidad impulsado por la humedad se basa en la capacidad de diferentes materiales para generar electricidad a partir de la interacción con la humedad del aire.
Esta área ha recibido interés creciente debido a su potencial para una amplia gama de aplicaciones del mundo real, incluidos dispositivos autoalimentados, como dispositivos electrónicos portátiles como monitores de salud, sensores electrónicos de piel y dispositivos de almacenamiento de información.
Para superar estos desafíos, un equipo de investigación dirigido por el profesor asistente Tan Swee Ching del Department of Materials Science and Engineering en el CDE ideó un nuevo dispositivo MEG que contiene dos regiones de diferentes propiedades para mantener perpetuamente una diferencia en el contenido de agua entre las regiones para generar electricidad y permitir la salida eléctrica durante cientos de horas.
“Batería” de tela de larga duración y autocargable
El dispositivo MED del equipo de NUS consiste en una fina capa de tela recubierta de nanopartículas de carbono. En su estudio, el equipo utilizó una tela comercialmente disponible hecha de pulpa de madera y poliéster.
Una región del tejido está recubierta con un hidrogel iónico higroscópico, y esta región se conoce como región húmeda. Hecho con sal marina, el gel absorbente de agua especial puede absorber más de seis veces su peso original y se usa para recolectar la humedad del aire.
“Se eligió la sal marina como compuesto absorbente de agua debido a sus propiedades no tóxicas y su potencial para proporcionar una opción sostenible para que las plantas de desalinización eliminen la sal marina y la salmuera generadas”, compartió Tan.
El otro extremo del tejido es la región seca que no contiene una capa de hidrogel iónico higroscópico. Esto es para asegurar que esta región se mantenga seca y que el agua se limite a la región húmeda.
Una vez que se ensambla el dispositivo MEG, se genera electricidad cuando los iones de sal marina se separan a medida que el agua se absorbe en la región húmeda.
Los iones libres con carga positiva (cationes) son absorbidos por las nanopartículas de carbono que tienen una carga negativa. Esto provoca cambios en la superficie de la tela, generando un campo eléctrico a través de ella. Estos cambios en la superficie también dan a la tela la capacidad de almacenar electricidad para su uso posterior.
Usando un diseño único de regiones húmedas y secas, los investigadores de NUS pudieron mantener un alto contenido de agua en la región húmeda y un bajo contenido de agua en la región seca. Esto mantendrá la producción eléctrica incluso cuando la región húmeda esté saturada de agua.
Después de dejarlo en un ambiente húmedo abierto durante 30 días, el agua aún se mantuvo en la región húmeda, lo que demuestra la eficacia del dispositivo para mantener la salida eléctrica.
“Con esta estructura asimétrica única, el rendimiento eléctrico de nuestro dispositivo MEG mejora significativamente en comparación con las tecnologías MEG anteriores, lo que hace posible alimentar muchos dispositivos electrónicos comunes, como monitores de salud y dispositivos electrónicos portátiles”, explicó Tan.
El dispositivo MED del equipo también demostró una gran flexibilidad y fue capaz de resistir el estrés de torcer, rodar y doblarse.
Curiosamente, los investigadores demostraron su excelente flexibilidad al doblar la tela en una grúa de origami que no afectó el rendimiento eléctrico general del dispositivo.
Fuente portátil de suministro de energía
El dispositivo MEG tiene aplicaciones inmediatas debido a su facilidad de escalabilidad y materias primas disponibles comercialmente.
Una de las aplicaciones más inmediatas es su uso como fuente de energía portátil para dispositivos electrónicos móviles directamente por la humedad ambiental.
“Después de la absorción de agua, una pieza que genera energía de 1,5 por 2 centímetros de tamaño puede proporcionar hasta 0,7 voltios (V) de electricidad durante más de 150 horas en un entorno constante”, dijo el Dr. Zhang Yaoxin, miembro del equipo de investigación.
El equipo de NUS también ha demostrado con éxito la escalabilidad de su nuevo dispositivo en la generación de electricidad para diferentes aplicaciones. El equipo de NUS conectó tres piezas de la tela generadora de energía y las colocó en una caja impresa en 3D del tamaño de una batería AA estándar.
Se probó que el voltaje del dispositivo ensamblado alcanzaba 1,96 V, más alto que una batería AA comercial de aproximadamente 1,5 V, que es suficiente para suministrar energía a pequeños dispositivos electrónicos como un reloj despertador.
La escalabilidad de la invención de NUS, la conveniencia de obtener materias primas disponibles en el mercado, así como el bajo costo de fabricación de alrededor de US$10,76 por metro cuadrado hacen que el dispositivo MEG sea adecuado para la producción en masa.
“Nuestro dispositivo muestra una excelente escalabilidad a un bajo costo de fabricación. En comparación con otras estructuras y dispositivos MEG, nuestra invención es más simple y más fácil para ampliar integraciones y conexiones. Creemos que es una gran promesa para la comercialización”, finalizó Tan.
Los investigadores han presentado una patente para la tecnología y planean explorar posibles estrategias de comercialización para aplicaciones del mundo real.
Referencia
Zhang, Y., Guo, S., Yu, Z. G., Qu, H., Sun, W., Yang, J., Suresh, L., Zhang, X., Koh, J. J., Tan, S. C., An Asymmetric Hygroscopic Structure for Moisture-Driven Hygro-Ionic Electricity Generation and Storage. Adv. Mater. 2022, 34, 2201228. https://doi.org/10.1002/adma.202201228
