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研究團隊開發(fā)水活化一次性紙電池，能夠運行低功率電子設備

發(fā)布時間：2022-8-2 14:24:08 被閱覽數(shù)： 1786 次

瑞士 Empa 開發(fā)的水活化一次性紙電池可用于為各種低功耗、一次性使用的電子產品供電，例如用于跟蹤物體的智能標簽、環(huán)境傳感器和醫(yī)療診斷設備。

該電池由 Gustav Nyström 和他的團隊設計，由至少一個面積為平方厘米的電池組成，并由印在長方形紙條上的三種墨水組成。氯化鈉或食鹽分散在整個紙條中，其較短的一端已浸入蠟中。

模板的印刷紙電池可以運行低功率的電子設備。

將用作陰極的含有石墨片的墨水印在紙的一個平面上，而將用作陽極的含有鋅粉的墨水印在背面。另一種含有石墨片和炭黑的墨水印在紙的兩面，在另外兩種墨水的上面。這組成了集電器，將電池的正極和負極連接到兩根電線，這兩根電線位于紙的蠟浸端。

當添加少量水時，紙中的鹽會溶解并釋放帶電離子，使電解質具有離子導電性。離子通過紙分散來激活電池，導致陽極墨水中的鋅被氧化并釋放電子。通過關閉外部電路，電子可以從含鋅陽極轉移到石墨陰極，在那里它們被轉移到環(huán)境空氣中并減少氧氣。這些氧化還原反應（還原和氧化）產生可用于為外部電氣設備供電的電流。

液晶顯示器

為了證明他們的電池能夠運行低功率電子設備，Nyström 的團隊將兩節(jié)電池組合成一個電池以增加工作電壓，并用它為帶有液晶顯示器 (LCD) 的鬧鐘供電。對單芯電池的性能分析顯示，加入兩滴水后，電池在 20 秒內激活，在不連接耗能設備的情況下，達到 1.2 伏的穩(wěn)定電壓。標準 AA 堿性電池的電壓為 1.5 伏。

一小時后，由于紙張干燥，單節(jié)電池的性能顯著下降。然而，在研究人員額外添加兩滴水后，電池在 0.5 伏的穩(wěn)定工作電壓下保持了一個多小時。

研究人員認為，紙和鋅的生物降解性可以使他們的電池最大限度地減少一次性低功率電子產品對環(huán)境的影響。

Nyström 說，新電池的特別之處在于，與許多使用金屬箔的電池隨著電池耗盡而逐漸消耗掉的電池相比，設計只允許在特定應用的墨水中添加實際需要的鋅量。金屬箔更難控制，而且并不總是完全消耗，導致材料浪費，因此墨水中的鋅含量越高，電池的運行時間就越長。

電池當前水活化設計的一個更關鍵的一點是電池變干所需的時間，但我相信這可以通過不同的設計來解決這個問題。對于一定濕度或潮濕環(huán)境中的環(huán)境傳感應用，紙張的干燥不會成為問題。

超級電容器

此前，Nyström 的團隊開發(fā)了一種紙質可降解超級電容器，可以進行數(shù)千次充電和放電而不會降低效率。與相同重量的電池相比，超級電容器的能量密度低約 10 倍，而功率密度卻高出約 10 到 100 倍。因此，超級電容器可以更快地充電和放電，并且還可以承受更多的充電和放電循環(huán)。

Nyström 表示，這兩種設備實際上是互補的，新的水激活電池背后的想法是能夠制造充滿電的設備，并且僅在觸發(fā)刺激后才釋放這種能量——在這種情況下只是一滴水。

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