Edible rechargeable batteries

Edible electronics is an emerging research field that aims to develop a completely safe-to-eat technology by studying and exploiting the electronic properties of food-derived materials and food additives. Edible devices can be degraded within the body at the end of their operational life, without any risk. This technology thus offers the opportunity to replace standard electronics in different sectors. In medicine, the development of ingestible smart pills is attracting significant attention for monitoring the GI tract. However, the use of these devices is associated with a nonnegligible risk of retention and consequent complications. Edible systems can replace ingestible electronics, eliminating the need for medical supervision during administration. In the agrifood sector, edible smart tags can be directly applied to food to monitor and prevent spoilage or counterfeiting. Edible devices can also be implemented in sensor networks to monitor environmental parameters without contributing to electronic waste or environmental pollution. Advances in edible electronics depend on the development of reliable power sources that ensure the stable operation of edible electronic systems. Among all possible solutions, batteries appear to be the best candidate as they can deliver current at a defined potential and have high energy densities. This Thesis focuses on the development, characterization, and validation of edible rechargeable batteries. The research activity is structured into four experimental sections that describe the steps taken to conceptualize, design, and improve edible batteries, ultimately enabling them to be interconnected with electronic devices. The development of a safe-to-eat battery strictly relies on material selection. Edible materials are therefore investigated to identify the best candidates for battery redox-active and auxiliary materials. Starting from electrode ink formulation and electrochemical characterization, the assembly and testing of the first edible rechargeable battery are described. The battery operates at ∼0.65 V, exploiting the redox reactions of quercetin and riboflavin, used as the cathodic and anodic materials, respectively. The potential applications of this battery, however, are limited by the design and the low capacity of the first prototype. For this reason, the battery is redesigned to facilitate interconnection with other devices by adopting a coplanar electrode architecture. The capacity is also doubled to 20 μAh by increasing the electrode mass loading. Operational stability over two weeks and environmental stability across 0-37 °C validate the use of edible batteries in scenarios such as healthcare and agrifood. For the first time, the compatibility of edible rechargeable batteries with other edible electronic components is demonstrated by powering edible sensors and logic circuits, paving the way for the development of a completely safe-to-eat technology. The potential of these batteries extends beyond edible electronics. Interconnections with traditional passive resistive sensors and the development of a 3-cell battery to power an IoT environmental sensor offer the possibility to replace traditional batteries in applications where safety and sustainability are crucial. In addition to the aforementioned scenarios, integrating edible batteries into smart pills is one of the most promising and important applications, as it could eliminate many safety concerns related to ingestible technologies. For this reason, a strategy for miniaturizing edible rechargeable batteries without performance loss is presented. New edible redoxactive inks with increased conductivity are formulated, enabling an increase in electrode mass loading to 8 mg cm−2. This enables the design of a miniaturized battery that fits in a 000-sized pill, with a capacity of 60 μAh. The battery capacity can be further increased to 120 μAh by adopting a double-cell parallel configuration within the same pill volume. Finally, the feasibility of integrating edible batteries into smart pills is demonstrated by assembling a hybrid pill and powering a CMOS ring oscillator with just ∼0.65 V. The technological breakthrough of edible electronics would not be possible without translating laboratory devices into the real world. As a first example of this process, edible rechargeable batteries are gastronomically revisited, and chocolate batteries are realized in a food-grade kitchen using only materials from the food supply chain. The showcase and tasting of these batteries at the 2025 World Expo in Osaka demonstrate that, indeed, edible electronics can be edible. The results presented in this Thesis mark a fundamental advancement in edible electronics and beyond. Edible rechargeable batteries represent a breakthrough in battery technology and offer unprecedented opportunities due to their safety and sustainability. This work lays the foundation for future advances and new solutions in healthcare, food science, and environmental monitoring.

L’elettronica commestibile è un nuovo campo di ricerca che mira a sviluppare una tecnologia completamente sicura da ingerire, studiando e sfruttando le proprietà elettroniche di additivi alimentari e di materiali estratti dal cibo. Questi dispositivi edibili possono disgregarsi nel corpo umano dopo aver svolto la loro funzione, senza alcun rischio per la salute. Questa tecnologia offre quindi l’opportunità di sostituire l’elettronica tradizionale in diversi settori. In ambito medico, lo sviluppo di pillole intelligenti sta attirando sempre più attenzione per il monitoraggio del tratto gastrointestinale. Tuttavia, l’utilizzo di questi dispositivi è associato a un rischio di ritenzione non trascurabile, con conseguenti complicazioni. I sistemi commestibili potrebbero quindi sostituire l’elettronica ingeribile, eliminando ogni necessità di supervisione medica durante la somministrazione. In ambito agroalimentare, l’applicazione di etichette elettroniche commestibili sul cibo consentirebbe di monitorarlo e di prevenirne sprechi e contraffazioni. I dispositivi edibili potrebbero anche essere integrati in sistemi di monitoraggio ambientale senza contribuire all’accumulo di rifiuti elettronici né all’inquinamento ambientale. I progressi nell’elettronica commestibile sono strettamente legati allo sviluppo di fonti di energia affidabili, in grado di garantire un’operatività stabile dei sistemi elettronici commestibili. Tra le possibili soluzioni, le batterie risultano le migliori candidate, poiché possono fornire corrente a una tensione definita e presentano un’elevata densità energetica. Questa Tesi si concentra pertanto sullo sviluppo, sulla caratterizzazione e sulla validazione di batterie ricaricabili commestibili. L’attività di ricerca è strutturata in quattro sezioni sperimentali che descrivono i passaggi compiuti per concettualizzare, progettare e migliorare queste batterie, fino alla loro interconnessione con altri dispositivi elettronici. Lo sviluppo di batterie che possano essere ingerite senza alcun rischio dipende strettamente dalla selezione dei materiali. Diversi materiali commestibili sono stati quindi valutati per identificare i migliori candidati, sia come materiali attivi sia come materiali ausiliari. La fabbricazione e la caratterizzazione elettrochimica della prima batteria ricaricabile commestibile sono descritte nel dettaglio. La batteria genera circa 0.65 V, sfruttando le reazioni redox di quercetina e riboflavina, usate rispettivamente come materiali catodico e anodico. Le potenziali applicazioni di questa batteria, tuttavia, sono limitate dal design e dalla scarsa capacità del primo prototipo. Per questo motivo, la batteria è stata riprogettata per facilitarne l’interconnessione con altri dispositivi, adottando un’architettura coplanare per gli elettrodi. La capacità è stata anche raddoppiata a 20 µAh aumentando il mass loading degli elettrodi. I test effettuati sulle batterie mostrano una stabilità operativa di due settimane e una stabilità ambientale tra 0 e 37 °C, confermando il loro possibile impiego in ambiti quali quello medico e quello agroalimentare. La compatibilità delle batterie ricaricabili commestibili con altri componenti elettronici commestibili è dimostrata per la prima volta alimentando sensori e circuiti logici commestibili, aprendo la strada allo sviluppo di una tecnologia completamente nuova. Il potenziale di queste batterie va oltre l’elettronica commestibile. L’interconnessione con sensori passivi tradizionali e lo sviluppo di una batteria a tre celle per alimentare un sensore ambientale dimostrano la possibilità di sostituire le batterie tradizionali in applicazioni in cui la sicurezza e la sostenibilità sono cruciali. Oltre agli scenari sopracitati, l’integrazione di batterie commestibili in pillole intelligenti è tra le applicazioni più promettenti e importanti, poiché potrebbe eliminare molti dei rischi legati alle tecnologie ingeribili. Per questo motivo, viene presentata una strategia per miniaturizzare le batterie ricaricabili commestibili senza comprometterne le prestazioni. La formulazione di nuovi inchiostri attivi con maggiore conducibilità permette di aumentare il mass loading degli elettrodi fino a 8 mg cm-2. Questo consente la progettazione di una batteria miniaturizzata, integrabile in una pillola 000, con una capacità di 60 µAh. La capacità della batteria può essere ulteriormente aumentata a 120 µAh adottando una configurazione a doppia cella in parallelo all’interno di una pillola dello stesso volume. Infine, la possibilità di integrare batterie commestibili in pillole intelligenti è dimostrata assemblando una pillola ibrida e alimentando un oscillatore CMOS con solo 0.65 V. La svolta tecnologica offerta dall’elettronica commestibile non sarebbe possibile senza trasferire la fabbricazione di questi dispositivi dal laboratorio al mondo reale. Come primo esempio di questo processo, le batterie ricaricabili commestibili sono state rivisitate gastronomicamente, realizzando batterie di cioccolato in una cucina professionale, utilizzando esclusivamente materiali provenienti dalla filiera alimentare. La presentazione e l’assaggio di queste batterie all’Expo 2025 di Osaka dimostrano che l’elettronica commestibile può essere davvero commestibile. I risultati presentati in questa Tesi segnano un progresso fondamentale nell’elettronica commestibile e non solo. Le batterie ricaricabili commestibili rappresentano una svolta nel settore energetico e offrono nuove opportunità grazie alla loro sicurezza e sostenibilità. Questo lavoro pone le basi per futuri sviluppi e nuove soluzioni in ambito medico, alimentare ed ecologico.