可溶解電池、可回收 PCB——這是怎么回事？
加入技術(shù)交流群
在如此多的領(lǐng)域——量子計(jì)算、光電子學(xué)、太赫茲波，僅舉幾例——正在進(jìn)行許多先進(jìn)和創(chuàng)新的研究，以至于很容易忽視一些較小、不那么迷人但仍然有趣的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域正在進(jìn)行研究。即使這些沒有帶來適銷對(duì)路或商業(yè)上的成功，它們?nèi)匀伙@示了正在進(jìn)行的大大小小的努力的范圍。此外，您永遠(yuǎn)不知道哪些會(huì)意外地發(fā)展到下一個(gè)可行性水平，或者可能解決特定的利基問題。
我們將研究其中兩個(gè)發(fā)展，雖然它們無關(guān)，但它們都是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心：電池和印刷電路板 （PCB）。
使用益生菌的可溶解電池
賓厄姆頓大學(xué)（紐約）的研究人員開發(fā)了一種由市售益生菌提供動(dòng)力的“瞬時(shí)”生物電池，該益生菌無害溶解，僅釋放有益微生物。這種生物電池是在水溶性或 pH 響應(yīng)基材上制造的，使用 15 菌株的益生菌混合物（活微生物，攝入后對(duì)健康有益，但在其他方面無害）在各種電極材料上發(fā)電。
通過縱設(shè)備長度或用 pH 敏感聚合物將其封裝，可以將功率傳輸從 4 分鐘微調(diào)到 100 分鐘以上。單個(gè)模塊輸出 4 μW 功率、47 μA 電流和 0.65 V 開路電壓。為了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和低成本的生產(chǎn)，該設(shè)備可以在可溶解的紙上打印或鉛筆繪制，在毛細(xì)管微流控通道內(nèi)具有不同長度或數(shù)量的蛇形電極。
請(qǐng)注意，這些瞬態(tài)和生物可吸收電子產(chǎn)品的主要目標(biāo)并不是經(jīng)過精心演練的減少電子垃圾的聲明。相反，其基本目的是實(shí)現(xiàn)短期的、預(yù)定義的作，之后電池在不再需要時(shí)安全解體。這非常適合檢索不切實(shí)際或不受歡迎的應(yīng)用，例如臨時(shí)醫(yī)療植入物、環(huán)境傳感器或一次性安全設(shè)備
生物電池的所有組件——包括基板、印刷蠟邊界和膜、鉛筆畫電極和普魯士藍(lán)陰極——都被設(shè)計(jì)為在基板溶解時(shí)在水中分解（圖1）。
這種水溶性紙主要來自生物基材料，例如木漿纖維與天然纖維素成分相結(jié)合。與水接觸后，纖維素溶解，導(dǎo)致木漿纖維分散成超細(xì)纖維。纖維素的親水性促進(jìn)了這一過程，纖維素促進(jìn)了與水分子的相互作用并導(dǎo)致紙張結(jié)構(gòu)的分解。
電池的構(gòu)造相對(duì)簡單，有點(diǎn)像分層涂料項(xiàng)目;不需要半導(dǎo)體或先進(jìn)的工藝技術(shù)（圖 2）。使用 100、10 和 1 kΩ 的電阻負(fù)載測試了電池的各種配方。
作者指出，非益生菌微生物驅(qū)動(dòng)的生物電池已被成功證明是獨(dú)立的電源。然而，這些材料帶來了對(duì)微生物細(xì)胞毒性和相關(guān)健康風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂。他們?cè)诤艽蟪潭壬蠈⒃O(shè)備限制在一次性和不可溶解的應(yīng)用中。
該電池利用了這些有益益生菌菌株公認(rèn)的安全和健康益處。它非常適合醫(yī)療和環(huán)境敏感環(huán)境中的瞬態(tài)和生物可吸收應(yīng)用。
這項(xiàng)工作在他們的論文“可溶解益生菌驅(qū)動(dòng)的生物電池：一種安全且生物相容性的瞬態(tài)應(yīng)用能源解決方案”中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該論文由 Wiley's Small 在線發(fā)表。還有一個(gè)支持信息文件發(fā)布了更多詳細(xì)信息。
可回收、可修復(fù)的電子產(chǎn)品
無論是使用低成本的酚醛樹脂、無處不在的 FR4 還是一些更奇特的材料，印刷電路板 （PCB） 實(shí)際上都是電子電路和產(chǎn)品的基礎(chǔ)。但是，試圖回收電路板，甚至可能是其板安裝組件以進(jìn)一步回收或回收貴金屬，是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些電路板固有的“堅(jiān)固”特性不適合這種處理（您是否曾經(jīng)嘗試過“分解”FR4 電路板?...祝你好運(yùn)！
為了解決這一困境，弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)（更廣為人知的名稱是弗吉尼亞理工大學(xué)）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種解決電子垃圾問題的潛在解決方案：一種可回收材料，可以使電子產(chǎn)品更容易分解和重復(fù)使用。他們創(chuàng)造了一類可回收、導(dǎo)電、可重新配置且損壞后可自愈的新型電路材料。然而，它們保留了傳統(tǒng)電路板塑料的強(qiáng)度和耐用性——這些功能很少在單一材料中同時(shí)出現(xiàn)。
這種新材料從玻璃三聚體開始，這是一種動(dòng)態(tài)聚合物，由于可以重塑和回收，因此再次受到關(guān)注。這種多功能材料與液態(tài)金屬 （LM） 液滴相結(jié)合，形成一種 LM-玻璃三聚體微液滴復(fù)合材料，該復(fù)合材料承載電流，就像剛性金屬在傳統(tǒng)電路中所做的那樣。玻璃三體電路板還可以在使用壽命結(jié)束時(shí)使用堿性水解進(jìn)行解構(gòu)，從而能夠回收液態(tài)金屬和 LED 等關(guān)鍵部件。
“傳統(tǒng)電路板由永久性熱固性材料制成，很難回收，”化學(xué)助理教授 Josh Worch 說。“在這里，我們的動(dòng)態(tài)復(fù)合材料如果因加熱而損壞，可以愈合或重塑，并且電氣性能不會(huì)受到影響?，F(xiàn)代電路板根本無法做到這一點(diǎn)。
與以前專注于軟器件的永久共價(jià)網(wǎng)絡(luò)或物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的LM摻入復(fù)合材料不同，它們的LM-玻璃三聚體復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電性、穩(wěn)健的熱機(jī)械性能、高模量和可回收性的獨(dú)特組合，而不會(huì)在高負(fù)載或變形下?lián)p失電導(dǎo)率（圖3）。
LM摻入玻璃三體聚合物基質(zhì)中是通過剪切混合程序完成的。LM-玻璃三聚體導(dǎo)電復(fù)合材料具有熱塑性和熱固性材料所固有的品質(zhì)。主要優(yōu)勢之一是由于其高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)而具有卓越的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。為了證明這一點(diǎn)，他們制造了一個(gè)帶有單個(gè) LED 的簡單電路（圖 4）。
他們還研究了復(fù)合材料通過化學(xué)回收的降解性。當(dāng) LM-玻璃三聚體復(fù)合材料達(dá)到使用壽命時(shí)，必須回收復(fù)合材料內(nèi)部的寶貴資源。由于基體中存在酯鍵，復(fù)合材料可以通過使用氫氧化鈉水溶液的堿催化水解來降解。這使得能夠制造完全基于玻纖介的電路板，該電路板由傳感器和指示燈 LED 組成，并集成了 LM-玻纖介導(dǎo)電布線。
由于動(dòng)態(tài)酯鍵和可重構(gòu)的 LM 液滴網(wǎng)絡(luò)，該復(fù)合材料還表現(xiàn)出愈合能力。為了證明材料愈合，使用剃須刀片切割復(fù)合材料的表面。然后通過熱觸發(fā)器修復(fù)損壞，該觸發(fā)器由復(fù)合材料的焦耳加熱能力實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料加熱并重新配置，可在 10 分鐘內(nèi)愈合傷口。
為了展示該材料在下一代可持續(xù)電子設(shè)備中的潛在應(yīng)用，他們創(chuàng)建了一種完全基于玻璃三聚體的電路板（圖 5）。電路板是具有動(dòng)態(tài)酯鍵的透明玻璃三體片。電路層是絲網(wǎng)印刷的LM-玻素復(fù)合材料，并聯(lián)集成了兩組LED和霍爾效應(yīng)傳感器。
有關(guān)完整的故事，他們的工作詳見 Wiley 的先進(jìn)材料上發(fā)表的論文“用于可回收和彈性電子產(chǎn)品的液態(tài)金屬-玻璃三聚體導(dǎo)電復(fù)合材料”。該帖子還包括一個(gè)指向支持信息文件的鏈接以及四個(gè)短視頻。
評(píng)論