Современная электроника №7/2024

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 7 / 2024 ERC в размере 2 миллионов евро для проекта ELFO, изучающего сферу СЭС. Коммерческие литий-ионные акку- муляторы, которые сегодня питают большинство портативных электрон- ных устройств, подвергаются восста- новлению оксидов металлического лития на катоде и окислению лити- рованного графита на аноде во время разряда. Li-ion батареи и АКБ других технологий (к примеру, свинцово-кис- лотные) не подходят для питания СЭС, ибо содержат токсичные материалы. О том, какие материалы используют в современных медицинских техно- логиях совместно с биоразлагаемыми полимерами, рассказано в [5]. К примеру, при дыхании человека усиливаются окислительно-восстано- вительные реакции. Говоря терминами биохимиков, окисляется никотинами- дадениндинуклеотид (НАД), высвобож- дая электроны, а жизненно важный для эффективной и длительной мозговой деятельности убихинон восстанавли- вается из хинона в гидрохиноновую форму. Такие безвредные окислитель- но-восстановительные парымогут быть использованы для создания «съедобных батарей». Согласно более ранним иссле- дованиям, был успешно испытан непе- резаряжаемый элемент питания Бет- тингера (и др.), где в качестве анода использовался меланин, а в качестве катода – оксид марганца [6]. Батарея функционировала, пока оксид марган- ца восстанавливался, а меланин окис- лялся. Однако оксид марганца можно употреблять только в небольших коли- чествах, поскольку адекватная (безопас- ная) суточная норма марганца для чело- века составляет 3 мг, то есть примерно 50 мкг на 1 килограмммассы тела. Энер- гетический заряд, который могли обе- спечить такие элементы СЭС, ограни- чен, и существует необходимость в разработке инновационных батарей с использованием материалов с более высокой безопасностью – относитель- но параметру «съедобности». Инновационные биоразлагаемые СЭС Сведения о первой АКБ, прошед- шей лабораторные испытания для СЭС и основанной только на органи- ческих окислительно-восстановитель- ных материалах, опубликованы в 2023 году. Материалы, использованные при формировании батареи, – обыч- ные пищевые ингредиенты и добавки, которые человек может без вреда упо- треблять в адекватных количествах >100 мг ежедневно. Вот как рассказы- вают об этом авторы исследования [9]. «После тестирования электрохимиче- ских характеристик композитов уста- новили две альтернативы катодных и анодных материалов. Мы выбрали материалы с самым высоким и самым низким окислительно-восстановитель- ным потенциалом, а именно рибофла- вин (витамин B 2 ) и кверцетин, и собра- ли батарею, используя съедобные токосъёмники и оболочку. Сначала мы приготовили композит из редокс- активных пищевых добавок и ингре- диентов с активированным углём – токопроводящей пищевой добавкой для стимуляции движения электро- нов к окислительно-восстановитель- ным центрам. Такую батарею можно использовать для питания съедобных электронных устройств, работающих вне человеческого тела, а также рабо- тающих внутри, если оболочка адапти- рована для конкретного применения. Хотя «перезаряжаемость» биоразлага- емой батареи – бесполезное свойство при кратковременном использовании внутри человеческого тела, другие съе- добные электронные устройства, рабо- тающие вне человеческого тела, можно перезаряжать, продлевая срок их служ- бы. Это достижение не только позво- ляет разрабатывать съедобную элек- тронику, но также может проложить путь к замене коммерческих батарей в устройствах, принимаемых внутрь, снижая риск при их проглатывании. Готовая биоразлагаемая батарея представлена на рис. 1. Из особенно- стей отметим, что редокс-активные рибофлавин и кверцетин включе- ны в композиты с активированным углём, чтобы обеспечить поток сво- бодных электронов от и к окисли- тельно-восстановительным центрам. Это обеспечивается подходящим рас- творителем. IC (индигокармин), RF (рибофлавин) и Q (кверцетин) рас- творимы в воде, но для облегчения диспергирования активированно- го угля использовалась смесь воды и этанола. Поскольку ЭА (эллаговая кислота) более растворима в этано- ле, чем в воде, для приготовления это- го композита использовали чистый этанол. Композиты наносились на золотые съедобные токосъёмники и связывались этилцеллюлозой. Бата- рею закрывали сепаратором из водо- рослей нори, пропитанным водным раствором гидросульфата натрия. Анодный композит с рибофлавином показал отчётливую окислительно- восстановительную активность с раз- рядной ёмкостью до 36 мА∙ч∙г –1 , тогда как катодный композит с кверцети- ном достигал 18 мА∙ч∙г –1 . Окислитель- но-восстановительная активность Рис. 1. Готовая к употреблению биоразлагаемая батарея производства Instituto Italiano di Tecnologia Рис. 2. Наглядная иллюстрация химического состава АКБ для СЭС Рис. 3. Редокс-активные материалы IC и RF Золотой электрод с композитом AC/RF или AC/Q Красные водоросли Пчелиный воск NaHSO 4 (aq) RF Q