Ученые разрабатывают биоразлагаемые батареи из печатной бумаги


Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали тонкие, как бумага, биоразлагаемые цинковые батареи, которые однажды могут стать экологически устойчивым вариантом для питания гибких и носимых электронных систем.


Цинковые батареи, разработанные в Сингапуре NTU, состоят из электродов (через которые электрический ток выходит или входит в батарею), напечатанных на обеих сторонах листа целлюлозной бумаги, который был усилен гидрогелем.


Как только батарея разрядится, ее можно закопать в почву, где она полностью разряжается в течение месяца.


В экспериментальном доказательстве концепции, описанном в научном журнале Advanced Science, команда NTU продемонстрировала, как батарея размером 4 х 4 см из печатной бумаги размером 4 см может питать небольшой электрический вентилятор не менее 45 минут. Сгибание или скручивание батареи не прерывали подачу питания.


В другом эксперименте с использованием батареи размером 4 х 4 см для питания светодиода ученые показали, что, несмотря на отрезание частей бумажной батарейки, светодиод оставался гореть, указывая на то, что вырезание не влияет на функциональность батареи.


Ученые считают, что их печатная батарея может быть интегрирована в гибкую электронику, такую как складные смартфоны, которые уже представлены на рынке, или биомедицинские датчики для мониторинга здоровья.


Профессор Фан Хунцзинь из Школы физико-математических наук НТУ и соавтор исследования, сказал: "Традиционные батареи бывают разных моделей и размеров, и выбор правильного типа для вашего устройства может быть трудоемким процессом. В ходе нашего исследования мы показали более простой и дешевый способ изготовления батарей, разработав один большой кусок батареи, который можно разрезать на нужные формы и размеры без потери эффективности. Эти функции делают наши бумажные аккумуляторы идеальными для интеграции в виды гибкой электроники, которые постепенно развиваются".


Доцент Ли Сок Ву из Школы электротехники и электроники NTU и соавтор исследования, сказал: "Мы считаем, что разработанная нами бумажная батарея потенциально может помочь решить проблему электронных отходов, учитывая, что наша печатная бумажная батарея нетоксична и не требует алюминиевых или пластиковых корпусов для герметизации компонентов батареи. Отсутствие упаковочных слоев также позволяет нашей батарее накапливать большее количество энергии, а следовательно, и мощности, в системе меньшего размера".


Разработка цинковых батарей из печатной бумаги исследовательской группой NTU, в которую также входят научные сотрудники д-р Ян Пэйхуа и д-р Ли Цзя, соответствует видению NTU 2025 и Манифесту Университета об устойчивом развитии, которые направлены на разработку устойчивых решений для решения некоторых насущных глобальных проблем человечества.


Изготовление батарей в стиле "сэндвич"


Батареи питают устройства за счет электрохимической реакции, в результате которой вырабатывается электрическая энергия. Внутренняя работа аккумулятора обычно размещается в металлическом или пластиковом корпусе. Внутри этого корпуса находятся катод и анод—это электроды, на которых происходят электрохимические реакции.



фото Наньянский технологический университет


Разделитель, добавленный между катодом и анодом, создает барьер и предотвращает соприкосновение электродов, позволяя электрическому заряду свободно протекать между ними, избегая коротких замыканий.

Также внутри батареи находится среда, известная как электролит, которая позволяет электрическому заряду протекать между катодом и анодом.

Чтобы разработать более тонкий и легкий прототип без необходимости упаковки, ученые NTU приняли "сэндвич—дизайн" для своих батарей-электроды похожи на ломтики хлеба, а целлюлозная бумага, на которой напечатаны электроды, похожа на начинку для сэндвичей.

Процесс изготовления начинается с армирования целлюлозной бумаги гидрогелем, чтобы заполнить пробелы в волокнах, которые естественным образом содержатся в целлюлозе. Это образует плотный сепаратор, который эффективно предотвращает смешивание электродов, которые изготовлены в виде "электродных чернил" и нанесены трафаретной печатью на обе стороны целлюлозной бумаги, армированной гидрогелем.

Анодные чернила в основном состоят из цинка и технического углерода (проводящий тип углерода). Что касается катодных чернил, то ученые разработали один тип с марганцем, а другой с никелем в качестве доказательства концепции, хотя исследовательская группа заявила, что могут быть использованы и другие металлы.

После печати электродов аккумулятор погружают в электролит. Затем на электроды наносят слой золотой тонкой фольги, чтобы увеличить проводимость батареи. Конечный продукт имеет толщину около 0,4 мм—примерно толщину двух прядей человеческих волос.

Экологичная альтернатива

Благодаря гидрогелю и целлюлозе, которые естественным образом разрушаются бактериями, грибками и другими микроорганизмами, батарея может быть просто захоронена в почве в конце ее срока службы, где она разрушается в течение нескольких недель, что делает ее полностью биоразлагаемым продуктом.

Чтобы продемонстрировать биоразлагаемость бумажной батареи, ученые НТУ похоронили ее в почве сада на крыше кампуса НТУ. Усиленная гидрогелем целлюлозная бумага начала разрушаться через две недели и полностью деградировала в течение месяца.

Профессор Фан сказал: "Когда происходит разложение, электродные материалы выбрасываются в окружающую среду. Никель или марганец, используемые в катодах, останутся в их оксидной или гидроксидной формах, которые близки к форме природных минералов. Цинк, содержащийся в аноде, будет естественным образом окислен с образованием нетоксичного гидроксида. Это указывает на потенциал батареи как более устойчивой альтернативы современным батареям".

В дальнейшем команда NTU надеется продемонстрировать полную интеграцию батареи печатной бумаги с другой печатной электроникой, электронными оболочками, а также системами хранения энергии, развернутыми в окружающей среде.
















Обсудить:

0 comments:

Всегда рады услышать ваше мнение!