两滴水,一张纸,如何发电一小时?

图|两单元纸电池正在驱动一个有 LED 的闹钟(来源:研究团队)在过去几十年中,由于技术更迭加快、产品寿命变短,人类过多地使用电子……

图|两单元纸电池正在驱动一个有 LED 的闹钟(来源:研究团队)

在过去几十年中,由于技术更迭加快、产品寿命变短,人类过多地使用电子产品,电子垃圾已经成为全球增长速度最快的废物流。

来自联合国大学(United Nations University)的数据显示,2019 年全球约有 5360 万吨的电子产品被丢弃,预计到 2030 年,这一数字将高达 7470 万吨,如果这一趋势无法逆转,到 2050 年,甚至会达到 1.1 亿吨之多。

使用更环保的材料、提高资源的回收率,是当前解决电子垃圾泛滥问题的重要方法,而生物可降解电池则是当前电池研究的热点。

如今,来自瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的科研团队,在生物可降解电池方面取得了新的突破——他们在一项概念验证研究,提出了一种可以用水激活的一次性纸电池。

据介绍,只需滴上两滴水,这种新型电池就可以持续为一个带有 LED 的闹钟供电 1 小时,1 小时后再加两滴水,还能继续使用,且可以被制成任意形状和大小,潜在应用场景十分广阔。

相关研究论文以“Water activated disposable paper battery”为题,已发表在科学期刊《科学报告》(Scientific Reports)上。瑞士联邦材料科学与技术实验室 Gustav Nyström 博士为论文的通讯作者。

研究团队表示,这种纸电池可以被用于驱动各种低功率、一次性可丢弃的电子器件(比如追踪物品的智能标签、环境传感器和医学诊断设备)并将其环境影响降到最低。

纸电池,怎么能发电?

近年来,科学家在可生物降解的光电设备、能源采集器和超级电容器等绿色电源技术方面取得了重要进展。但是,可生物降解的一次性电池作为一种互补性强、可提供更高能量密度、运行更稳定的能源,其研究还十分有限。

当前有关电池的研究主要聚焦在电池性能的提升上,即不断向更高的能量和功率密度、更快的充电速率和更好的运行稳定性发展,主要通过开发符合目前主导市场的锂离子电池要求的新材料来实现。

然而,随着人们更加了解电子垃圾的危害,以及用于环境传感和食品监测等应用的一次性电子产品的出现,市场对环保电池的需求日益增长。

市场需求的转变,为非传统材料和设计提供了新的机会。以镁(Mg)、铁(Fe)、钨(W)和钼(Mo)等无机材料为基础的水性原电池(Aqueous primary batteries)成为了高能密度瞬态电池的理想候选材料,有机材料也已被证明可以成为不错的替代品。

尽管科学家取得了一些有前景的进展,但生物可降解电池的增材制造仍然是一个重要的科学挑战。

在过去十年中,以纸张形式存在千年的纤维素在生物医学诊断、信息显示和能源存储方面得到了广泛应用。然而,纤维素的一些独特性质,比如其固有的生物降解性、吸湿性等,却一直没有得到很好的利用。

在此次研究工作中,Nyström 提出的纸电池由至少一个尺寸为 1 平方厘米的电池单元组成,包含 3 种印在长方形纸带上的油墨,纸带上分布着氯化钠盐,较短端浸了蜡,一种油墨含有石墨薄片印制在纸的一面上,作为电池组正极(阴极),纸的反面印有含锌粉的油墨,作为负极(阳极)。

此外,在纸的两面,在这两种油墨之上,都印上了含有石墨薄片和炭黑的油墨,这种油墨将电池组正负极和两根电线连接起来,电线位于有蜡的那端。这些油墨是 3D 打印等增材制造技术的理想选择。

那么,这种纸电池是如何发电的呢?

据论文描述,只需加上一点水,纸上的盐就会溶解,从而释放出带电离子,这些离子在纸上弥散激活电池组,让电池组负极油墨中的锌释放电子,连在电子设备上的电线能接通电路,让电子能经过含石墨和炭黑的油墨、电线和设备,从负极转移到正极(含石墨的油墨),在那里被转移到周围空气中的氧里,电流正是在这些反应中产生的。

图|纸电池的设计。(来源:该论文)

为展示这种电池驱动低功率电子器件的能力,研究团队把两个电池单元结合成一组电池组,来驱动一个有液晶显示器的闹钟。

对单单元电池组的性能分析显示,加入两滴水,电池组会在 20 秒内激活,当不连接在耗能设备上的时候能达到稳定的 1.2 伏,而一个标准 AA 碱性蓄电池(5 号电池)的电压是 1.5 伏。

一小时后,单单元电池组的性能会因为纸张干燥而迅速下降。但是,如果再滴上两滴水,它就能再维持一个小时以上稳定的 0.5 伏工作电压。

图|通过测量恒定电流(100 μA)下的工作电压来表征一次性纸电池的放电能力。(来源:该论文)

研究团队表示,纸张和锌的生物可降解性使这种电池能够最大程度减少可丢弃、低功率电子器件带来的环境影响。

仍需进一步研究

如上文所述,尽管这种纸电池可以为闹钟供电,但与其它类型电池相比,它的功率密度还是比较有限的。

对此,研究团队认为,这种纸电池可以被用于低功率电子产品和物联网生态系统,通过最小化油墨中使用的锌的量,这种电池的可持续性还可以进一步改进,从而使电池产生的电流能得到精确控制。

在未来的工作中,他们将研究如何使用绿色催化剂来提高氧还原反应速率,用有机负极材料作为锌的替代品,以及评估电池生命周期内对环境的影响。

“我们的工作推进了一次性电子产品领域,并提出了一种平衡环境影响和性能的电池技术。” 研究团队如是说。

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