科學家研發「紙電池」與AA鹼性電池一樣強大,可生物分解而且還很便宜

科學家研發「紙電池」與AA鹼性電池一樣強大,可生物分解而且還很便宜

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如果要說明其功率的話,使用這項科技而打造出來的兩單元電池組,已足夠驅動一台液晶顯示器鬧鐘。雖然它短時間還沒有辦法對你的筆電充電,但是已經對低功率感應器與追蹤器具有很多潛力。

文:Сергей Хуан

一種新研發、由水來活化的可拋棄式紙電池(paper battery),將對一次性的電子產品產生巨大的影響。這些用於醫療或工業領域上的暫時性器具所產生的電子廢棄物,通常很容易就累積起來。

短小精幹

研究人員所展示的電池具生物可分解性、由永續材料所製成、組裝起來也很便宜。而且,它能夠根據需求製成各種形狀與大小。

如果要說明其功率的話,使用這項科技而打造出來的兩單元電池組,已足夠驅動一台液晶顯示器鬧鐘。雖然它短時間還沒有辦法對你的筆電充電,但是已經對低功率感應器與追蹤器具有很多潛力。

研究人員在他們發表的論文中寫到:「我們研發了印刷出來的紙電池,用來提供一次性可拋式電子產品電力,並且最小化它們對環境的影響。這個電池是基於一種金屬空氣電池,其使用鋅作為陽極中的生物可分解金屬,陰極中使用石墨,紙作為兩極間的分隔器、以及以水為基底的電解質。」

組成與活化

這個電池組由氯化鈉鹽的擴散紙所製成,可以只有一平方公分大,且是以印刷墨水為基礎。其中一種墨水包含石墨片,用作為陰極(正極端);而在紙另一端的墨水包含了鋅粉末,用作為陽極(負極端)。

第三種墨水是由石墨片與碳黑所構成,印在紙的兩端,在其他兩種墨水之上,將正極與負極端連到兩條電線上。這些電線是接在紙的各一端,浸在蠟中。

接著所需要的就是小量的水,少至兩滴。這會溶解紙中的鹽,釋放出帶電的離子,而當離子移動時,就會活化電池。藉由將電線接到電子設備上,會形成封閉迴路,意指電子能從負極端運輸至正極端。

未命名
圖片來源:Poulin et al., Scientific Reports, 2022
紙電池由氯化鈉鹽的擴散紙所製成,其中一種墨水包含石墨片,用作為陰極(正極端);而在紙另一端的墨水包含了鋅粉末,用作為陽極(負極端)。
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圖片來源:Poulin et al., Scientific Reports, 2022
紙電池的作用機制(a)與結構介紹(b)。在添加水數十秒後,電池開始產生電力(c)。

在穩定1.2伏特的電壓下,這個紙電池相當於標準AA鹼性電池在1.5伏特下的表現程度。根據研究團隊所進行的實驗,在添加水約20秒之後,電池開始產生電力。

研究人員寫到:「根據實驗展示,儘管與當前技術相比能量密度有限,但是我們的電池仍然適用於廣泛的低功率電子設備,以及物聯網生態系統。」

最佳化的目標

雖然隨著時間過去,紙會乾掉,然後電池表現下降,但是它可以在一定程度之下補充更多的水。在多餘的水之下,在第一次被活化兩小時後,電池仍然能夠產生0.5伏特的電壓。

目前,這很大程度上是一項概念驗證(proof-of-principle)的研究,但是在論文中所描述的電池並不會過於複雜而難以製造。研究人員說未來他們想要改善電池的效率,讓它運作得更久。

研究人員說:「隨著人們對電子垃圾問題,以及用於像是環境感測與食物監測等用途上的一次性電子產品的意識上升,對環境影響較低的電池需求正在成長。這種從效率指數表現傳統導向發生的改變,為非傳統材料與其設計創造了新機會,能夠在電池表現與環境影響之間取得平衡。」

參考資料

  • Nield, D., (2022, July 7). This Paper Battery Is as Powerful as a AA, And Is Activated by Water. ScienceAlert
  • Poulin, A. et al., (2022, July 28). Water activated disposable paper battery. Scientific Reports. doi.org/10.1038/s41598-022-15900-5

本文經明日科學授權刊登,原文刊載於此

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航