兩滴水，一張紙，如何發(fā)電一小時？

在過去幾十年中，由于技術(shù)更迭加快、產(chǎn)品壽命變短，人類過多地使用電子產(chǎn)品，電子垃圾已經(jīng)成為全球增長速度最快的廢物流。

來自聯(lián)合國大學(xué)（United Nations University）的數(shù)據(jù)顯示，2019 年全球約有 5360 萬噸的電子產(chǎn)品被丟棄，預(yù)計(jì)到 2030 年，這一數(shù)字將高達(dá) 7470 萬噸，如果這一趨勢無法逆轉(zhuǎn)，到 2050 年，甚至?xí)_(dá)到 1.1 億噸之多。

（來源：Pixabay）

使用更環(huán)保的材料、提高資源的回收率，是當(dāng)前解決電子垃圾泛濫問題的重要方法，而生物可降解電池則是當(dāng)前電池研究的熱點(diǎn)。

如今，來自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Empa）的科研團(tuán)隊(duì)，在生物可降解電池方面取得了新的突破——他們在一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究，提出了一種可以用水激活的一次性紙電池。

圖｜兩單元紙電池正在驅(qū)動一個有 LED 的鬧鐘。（來源：研究團(tuán)隊(duì)）

據(jù)介紹，只需滴上兩滴水，這種新型電池就可以持續(xù)為一個帶有 LED 的鬧鐘供電 1 小時，1 小時后再加兩滴水，還能繼續(xù)使用，且可以被制成任意形狀和大小，潛在應(yīng)用場景十分廣闊。

相關(guān)研究論文以“Water activated disposable paper battery”為題，已發(fā)表在科學(xué)期刊《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 Gustav Nystr?m 博士為論文的通訊作者。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這種紙電池可以被用于驅(qū)動各種低功率、一次性可丟棄的電子器件（比如追蹤物品的智能標(biāo)簽、環(huán)境傳感器和醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備）并將其環(huán)境影響降到最低。

紙電池，怎么能發(fā)電？

近年來，科學(xué)家在可生物降解的光電設(shè)備、能源采集器和超級電容器等綠色電源技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。但是，可生物降解的一次性電池作為一種互補(bǔ)性強(qiáng)、可提供更高能量密度、運(yùn)行更穩(wěn)定的能源，其研究還十分有限。

當(dāng)前有關(guān)電池的研究主要聚焦在電池性能的提升上，即不斷向更高的能量和功率密度、更快的充電速率和更好的運(yùn)行穩(wěn)定性發(fā)展，主要通過開發(fā)符合目前主導(dǎo)市場的鋰離子電池要求的新材料來實(shí)現(xiàn)。

然而，隨著人們更加了解電子垃圾的危害，以及用于環(huán)境傳感和食品監(jiān)測等應(yīng)用的一次性電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，市場對環(huán)保電池的需求日益增長。
市場需求的轉(zhuǎn)變，為非傳統(tǒng)材料和設(shè)計(jì)提供了新的機(jī)會。以鎂（Mg）、鐵（Fe）、鎢（W）和鉬（Mo）等無機(jī)材料為基礎(chǔ)的水性原電池（Aqueous primary batteries）成為了高能密度瞬態(tài)電池的理想候選材料，有機(jī)材料也已被證明可以成為不錯的替代品。

盡管科學(xué)家取得了一些有前景的進(jìn)展，但生物可降解電池的增材制造仍然是一個重要的科學(xué)挑戰(zhàn)。

在過去十年中，以紙張形式存在千年的纖維素在生物醫(yī)學(xué)診斷、信息顯示和能源存儲方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，纖維素的一些獨(dú)特性質(zhì)，比如其固有的生物降解性、吸濕性等，卻一直沒有得到很好的利用。

在此次研究工作中，Nystr?m 提出的紙電池由至少一個尺寸為 1 平方厘米的電池單元組成，包含 3 種印在長方形紙帶上的油墨，紙帶上分布著氯化鈉鹽，較短端浸了蠟，一種油墨含有石墨薄片印制在紙的一面上，作為電池組正極（陰極），紙的反面印有含鋅粉的油墨，作為負(fù)極（陽極）。

此外，在紙的兩面，在這兩種油墨之上，都印上了含有石墨薄片和炭黑的油墨，這種油墨將電池組正負(fù)極和兩根電線連接起來，電線位于有蠟的那端。這些油墨是 3D 打印等增材制造技術(shù)的理想選擇。

那么，這種紙電池是如何發(fā)電的呢？

據(jù)論文描述，只需加上一點(diǎn)水，紙上的鹽就會溶解，從而釋放出帶電離子，這些離子在紙上彌散激活電池組，讓電池組負(fù)極油墨中的鋅釋放電子，連在電子設(shè)備上的電線能接通電路，讓電子能經(jīng)過含石墨和炭黑的油墨、電線和設(shè)備，從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極（含石墨的油墨），在那里被轉(zhuǎn)移到周圍空氣中的氧里，電流正是在這些反應(yīng)中產(chǎn)生的。

圖｜紙電池的設(shè)計(jì)。（來源：該論文）

為展示這種電池驅(qū)動低功率電子器件的能力，研究團(tuán)隊(duì)把兩個電池單元結(jié)合成一組電池組，來驅(qū)動一個有液晶顯示器的鬧鐘。

對單單元電池組的性能分析顯示，加入兩滴水，電池組會在 20 秒內(nèi)激活，當(dāng)不連接在耗能設(shè)備上的時候能達(dá)到穩(wěn)定的 1.2 伏，而一個標(biāo)準(zhǔn) AA 堿性蓄電池（5 號電池）的電壓是 1.5 伏。

一小時后，單單元電池組的性能會因?yàn)榧垙埜稍锒杆傧陆?。但是，如果再滴上兩滴水，它就能再維持一個小時以上穩(wěn)定的 0.5 伏工作電壓。

圖｜通過測量恒定電流（100 μA）下的工作電壓來表征一次性紙電池的放電能力。（來源：該論文）

研究團(tuán)隊(duì)表示，紙張和鋅的生物可降解性使這種電池能夠最大程度減少可丟棄、低功率電子器件帶來的環(huán)境影響。

仍需進(jìn)一步研究

如上文所述，盡管這種紙電池可以為鬧鐘供電，但與其它類型電池相比，它的功率密度還是比較有限的。

對此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種紙電池可以被用于低功率電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，通過最小化油墨中使用的鋅的量，這種電池的可持續(xù)性還可以進(jìn)一步改進(jìn)，從而使電池產(chǎn)生的電流能得到精確控制。

在未來的工作中，他們將研究如何使用綠色催化劑來提高氧還原反應(yīng)速率，用有機(jī)負(fù)極材料作為鋅的替代品，以及評估電池生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響。

“我們的工作推進(jìn)了一次性電子產(chǎn)品領(lǐng)域，并提出了一種平衡環(huán)境影響和性能的電池技術(shù)。” 研究團(tuán)隊(duì)如是說。

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5

https://ewastemonitor.info/wp-content/uploads/2022/06/Global-TBM_webversion_june_2_pages.pdf