两滴水，一张纸，如何发电一小时？

2022 年 7 月 28 日 学术头条

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。

（来源：Pixabay）

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。

图｜两单元纸电池正在驱动一个有 LED 的闹钟。（来源：研究团队）

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。

参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5
https://ewastemonitor.info/wp-content/uploads/2022/06/Global-TBM_webversion_june_2_pages.pdf

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