科学家开发可生物降解的印刷纸电池

来自新加坡南洋理工大学(NTUSingapore)的科学家开发出纸一样薄的可生物降解锌电池，有朝一日可能成为为柔性和可穿戴电子系统供电的环保可持续选择。

NTU新加坡开发的锌电池由电极(电流通过它离开或进入电池)组成，电极丝网印刷在一张用水凝胶增强的纤维素纸的两面。

电池耗尽后，可以将其埋入土壤中，在一个月内完全分解。

在科学期刊AdvancedScience中描述的概念验证实验中，NTU团队展示了4厘米x4厘米见方的印刷纸电池如何为小型电风扇供电至少45分钟。弯曲或扭曲电池不会中断供电。

在另一项使用4cmx4cm电池为LED供电的实验中，科学家们表明，尽管切掉了部分纸电池，LED仍然亮着，表明切割不会影响电池的功能。

科学家们认为他们的印刷电池可以集成到柔性电子产品中，例如已经上市的可折叠智能手机，或用于健康监测的生物医学传感器。

来自南大物理与数学科学学院的教授、该研究的共同主要作者范洪进说：“传统电池有多种型号和尺寸，为您的设备选择合适的类型可能是一个繁琐的过程。通过我们的研究中，我们展示了一种更简单、更便宜的电池制造方法，通过开发可以在不损失效率的情况下切割成所需形状和尺寸的单个大电池。这些特性使我们的纸电池非常适合集成在各种柔性电子设备中正在逐步开发中。”

来自南大电机与电子工程学院的助理教授、该研究的共同主要作者LeeSeokWoo说：“我们相信我们开发的纸电池可能有助于解决电子废物问题，因为我们的印刷纸电池是非-有毒，不需要铝或塑料外壳来封装电池组件。避免使用包装层还使我们的电池能够在更小的系统内存储更多的能量，从而储存更多的能量。”

南大研究团队开发的印刷纸锌电池，其中还包括研究员杨培华博士和李嘉博士，符合南大2025愿景和大学的可持续发展宣言，旨在开发可持续的解决方案来解决人类面临的一些紧迫的重大挑战。

制造“三明治式”电池

电池通过产生电能的电化学反应为设备供电。电池的内部结构通常安装在金属或塑料外壳内。在这种情况下是阴极和阳极——这些是发生电化学反应的电极。

图片来源：南洋理工大学

添加在阴极和阳极之间的隔板形成屏障并防止电极接触，同时允许电荷在它们之间自由流动，避免短路。

电池内部还有一种称为电解质的介质，它允许电荷在阴极和阳极之间流动。

为了开发出更薄、更轻且无需包装的原型，南大科学家为他们的电池采用了“三明治设计”——电极就像面包片，印有电极的纤维素纸就像夹心馅。

制造过程首先用水凝胶增强纤维素纸，以填补纤维素中天然存在的纤维间隙。这形成了一个致密的隔板，有效地防止了电极的混合，这些电极被配制成“电极墨水”并丝网印刷在水凝胶增强纤维素纸的两面。

阳极油墨主要由锌和炭黑(一种导电类型的碳)组成。至于阴极墨水，科学家们开发了一种用锰和另一种用镍作为概念验证的类型，尽管研究小组表示可能会使用其他金属。

印刷电极后，将电池浸入电解液中。然后在电极上涂上一层金薄箔，以增加电池的导电性。最终产品的厚度约为0.4毫米——大约是两根人类头发的厚度。

一种环保的替代品

由于水凝胶和纤维素会被细菌、真菌和其他微生物自然分解，电池在其使用寿命结束时可以简单地埋在土壤中，在几周内分解，使其成为完全可生物降解的产品。

为了证明纸电池的生物降解性，南大科学家将其埋在南大校园屋顶花园的土壤中。水凝胶增强纤维素纸在两周后开始破裂，并在一个月内完全降解。

范教授说：“当分解发生时，电极材料会释放到环境中。阴极中使用的镍或锰将保持其氧化物或氢氧化物的形式，这接近于天然矿物的形式。锌中发现的锌阳极会自然氧化形成无毒的氢氧化物。这表明该电池具有作为当前电池更可持续替代品的潜力。”

展望未来，南大团队希望展示印刷纸电池与其他印刷电子产品、电子皮肤以及部署在环境中的储能系统的完全集成。