Waarom we over dit onderwerp schrijven:
Vervormbare elektronica en robotica brengen nieuwe toepassingsmogelijkheden met zich mee. In de gezondheidszorg worden wearables of implanteerbare elektronica gebruikt om gezondheidsdata te meten. Slimme implantaten kunnen geneesmiddelen gedoseerd aan het lichaam vrijgeven. Een onlangs ontwikkelde vervormbare en biologisch afbreekbare batterij kan die techniek een stap verder helpen. De batterij met een afmeting van slechts enkele centimeters, is ontwikkeld door professor Martin Kaltenbrunner en zijn promovendi aan de Johannes Kepler Universiteit (JKU) in Linz.
Steeds meer elektronisch afval
Professor Kaltenbrunner leidt de groep Soft Matter Physics aan de JKU. Hij doet fundamenteel onderzoek naar nieuwe materialen voor soft robotics en elastomeren. Nieuwe energiedragers is een van zijn expertisegebieden. Zijn voorganger, Siegfried Bauer, presenteerde in 2010 ‘s werelds eerste flexibele batterij.
Kaltenbrunner is er nu in geslaagd de eerste vervormbare én biologisch afbreekbare batterij te ontwikkelen. “Applicaties in medische toepassingsgebieden, zoals sensoren op de huid, worden slechts korte tijd gedragen. Voor zulke wegwerpproducten zijn milieuvriendelijke en biologisch afbreekbare materialen essentieel”, zegt Kaltenbrunner.
Hij vervolgt: “Parallel aan de hoeveelheid medische applicaties groeit onvermijdelijk ook de elektronische afvalberg. In 2019 werd dagelijks al 140.000 ton elektronisch afval geproduceerd, een getal dat exponentieel groeit. Daarom moeten we nu nadenken over hoe we elektronica en robotica duurzaam kunnen maken. Met name ook voor nieuwe onderzoeksgebieden, zoals flexibele vormen van elektronica en robotica.”
Vervormbaar en afbreekbaar
Er wordt al langer onderzoek gedaan naar zowel rekbare batterijen als ook biologisch afbreekbare batterijen. Dat deze twee belangrijke eigenschappen worden gecombineerd is echter een novum. Er zijn verschillende aspecten die conventionele batterijen onderscheiden van duurzame flexibele elektronica: de eerstgenoemde zijn onbuigzaam, bevatten gewoonlijk giftige metalen en kunnen nog niet zonder meer worden hergebruikt. Dit was het uitgangspunt voor zijn project, legt Kaltenbrunner uit.
Batterijen bestaan uit een behuizing, een seperator en actieve materialen. De separator is een laag die de anode en kathode van elkaar scheidt. Tussen de anode en de kathode worden ionen uitgewisseld. De ionenstroom wordt mogelijk gemaakt door een elektrolyt, bijvoorbeeld kaliumhydroxide. De separator tussen de anode en de kathode voorkomt kortsluiting.
Materiaalkeuze
Bij gewone batterijen is de behuizing van staal. De polen zijn doorgaans van mangaanoxide en zink. De separator is gemaakt van een papierachtige stof. De elektrolyt van kaliloog (kaliumhydroxide (KOH)). Geen van deze materialen is bijzonder rekbaar of biologisch compatibel – vooral het geconcentreerde kaliloog niet. De onderzoekers stonden daarom voor de opgave om voor hun flexibele en biologisch afbreekbare batterij voor elk afzonderlijk onderdeel een alternatief te vinden, of zelf te ontwikkelen. De materialen moesten tegelijkertijd onschadelijk voor de gezondheid, biologisch afbreekbaar en mechanisch flexibel zijn. Er bestaan niet veel materialen die aan al deze eisen voldoen, benadrukt Kaltenbrunner.
Voor de behuizing ontwikkelden de onderzoekers een synthetisch elastomeer – polyglycerol sebacate (PGS) – dat rekbaar en biologisch afbreekbaar is. Er zijn onder andere in compost enzymen die dit materiaal zelfs als voedsel nodig hebben.
Voor de actieve materialen in de batterij – de anode en de kathode – werd een folie van magnesium en molybdeenoxide gebruikt. Beide stoffen zijn ongevaarlijk en komen ook in het lichaam als sporenelementen voor. De elektrolyt en de separator werden door een biologisch afbreekbare gel van calciumalginaat vervangen. Deze hydrogel bevat opgelost zout (calciumchloride), waardoor het zowel de beide polen mechanisch van elkaar kan scheiden als ook de ionen geleiden.
Geschikt materiaal
De grootste uitdaging was om een geschikt materiaal voor de anode te vinden, omdat deze van metaal moet zijn en metaal meestal niet flexibel is. Ook de gebruikte magnesiumfolie was niet rekbaar genoeg. Om dit probleem tegen te gaan werkte het team met kirigami, een Japanse snij- en vouwtechniek die starre materialen zoals papier of metaalfolie geometrisch en mechanisch rekbaar maakt. Toch blijft de flexibiliteit van de magnesiumfolie beperkt, legt Kaltenbrunner uit. Immers moet een zo groot mogelijk oppervlak bruikbaar blijven, ook wanneer de elektrode zich in uitgerekte toestand bevindt. Alleen zo kunnen de folies de elektronen geleiden en daardoor elektriciteit leveren, aldus de onderzoeker.
De flexibele en biologisch afbreekbare batterij die Kaltenbrunner en zijn team op deze manier hebben ontwikkeld heeft een energiedichtheid van 1,72 milliwattuur per vierkante centimeter. Dat is niet veel vergeleken met een lithiumpolymeeraccu, die 60 keer zoveel vermogen heeft. Toch is deze energiedichtheid al voldoende om een sensor voor meerdere uren van energie te voorzien. Sporters zouden met behulp van deze batterij bijvoorbeeld hun trainingsverloop kunnen analyseren. Een sensor zou het natriumgehalte op de huid kunnen meten en de gegevens naar een smartphone kunnen sturen.
Oplosbaar in water en afbreekbaar in het lichaam
Na gebruik kan de volledige batterij eenvoudig worden gecomposteerd. De materialen zijn in water oplosbaar. Dat afbraakproces begint al zodra ze met water in contact komen. In de testfase werd de batterij in water van 37 graden gelegd. Na elf weken was hij voor meer dan 70 procent opgelost. Een essentiele eigenschap van de ontwikkelde batterij, vooral met het oog op toekomstige toepassingen in de medische sector, is dat deze biologisch volledig ongevaarlijk is. In principe kun je hem zelfs inslikken. Hij wordt dan volledig afgebroken in de maag.
Kaltenbrunner wil het onderzoek voortzetten om een hogere energiedichtheid voor de batterij te bereiken: “Dit zijn goede materialen, maar misschien zijn het nog niet de best mogelijke en misschien is het huidige nog niet het best mogelijke ontwerp,” zegt Kaltenbrunner.
