天天热推荐：只需加一滴水：水激活的一次性纸质电池

来源：腾讯网　2022-07-31 15:41:25

据悉，一组研究人员开发了一种水激活的一次性纸电池。研究人员建议，它可以用来为各种低功耗、一次性使用的电子产品供电。比如，跟踪物体的智能标签、环境传感器和医疗诊断设备。另外，该纸电池还能将其对环境的影响降至最低。这项原理证明研究已经发表在《科学报告》杂志上。

上图：纸质电池由两个电化学电池组成（位于纸带的两端），由防水层隔开（在字母“m”和“p”之间）并串联连接。

这种电池由古斯塔夫·尼斯特罗姆（Gustav Nystr m）和他的团队设计，由至少一个1厘米见方的电池组成，并由三个墨水打印在一张长方形的纸条上。盐，在这种情况下只是氯化钠或食盐，分散在整个纸条上，其较短的一端浸泡在蜡中。一种含有石墨薄片的墨水，作为电池的正极（阴极），被印在纸张的一个平面上，而一种含有锌粉的墨水，作为电池的负极（阳极），被印在纸张的反面。另一种含有石墨片和炭黑的墨水印在纸的两面，在另外两种墨水的上面。这种墨水构成了集电器，将电池的正极和负极连接到两根电线，两根电线位于纸的蜡浸端。

(资料图片)

当加入少量水时，纸中的盐溶解，带电离子释放，从而使电解液具有离子导电性。这些离子通过分散在纸上激活电池，导致阳极处墨水中的锌被氧化，从而释放电子。通过闭合（外部）电路，这些电子可以从含锌的阳极（通过含石墨和碳黑的墨水、电线和设备）转移到石墨阴极，在那里它们被转移到环境空气中的氧气。这些氧化还原反应（还原和氧化）因此产生电流，可用于为外部电气设备供电。

为低功率电子产品提供可持续能源

为了证明他们的电池运行低功耗电子产品的能力，古斯塔夫·尼斯特罗姆的团队将两个电池组合成一个电池，以增加工作电压，并使用它为一个液晶显示的闹钟供电。对单芯电池的性能分析显示，在加入两滴水后，电池在20秒内激活，当没有连接到耗能设备时，可以达到1.2伏特的稳定电压。标准 AA 碱性电池的电压为1.5伏。

上图：一种模版印刷的纸电池。电池可以运行低功耗电子设备，例如连接到电池的液晶显示器 (LCD) 闹钟。

1小时后，由于纸张干燥，单芯电池性能明显下降。然而，在研究人员再加两滴水后，电池在一个多小时内保持0.5伏特的稳定工作电压。

研究人员提出，纸张和锌的生物降解性可以使他们的电池最大限度地减少一次性、低功耗电子产品对环境的影响。古斯塔夫·尼斯特罗姆表示：“我们的新电池的特别之处在于，与许多使用金属箔的金属空气电池相比，随着电池耗尽，金属箔会逐渐被消耗，而我们的设计允许只在特定应用实际需要的墨水中添加适量的锌。”而且，金属箔更难以控制，而且并不总是完全消耗，导致材料的浪费。因此，墨水中含有的锌越多，电池就能工作得越久。

古斯塔夫·尼斯特罗姆补充说，目前水激活电池设计的一个更关键的点，是电池变干所需的时间。“但我相信，可以通过不同的设计来解决这个问题。”然而，对于环境传感应用，在一定的湿度或潮湿的环境中，纸张的干燥将不是一个问题。

两种互补的技术

此前，古斯塔夫·尼斯特罗姆的团队已经开发出了一种基于纸张的可降解超级电容器，这种电容器可以进行数千次充放电而不损失效率。与同等重量的电池相比，超级电容的能量密度要低10倍左右，而功率密度则要高10到100倍左右。因此，超级电容器可以更快地充放电。它们还可以承受更多的充放电循环。古斯塔夫·尼斯特罗姆表示：“因此，这两种设备（技术）实际上是互补的。”这种新型水电池背后的想法是能够制造充满电的设备，而且只有在刺激触发后才会释放这种能量，在这种情况下，只需一滴水。

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