Ученые разработали бумажную батарейку, способную сделать одноразовые электронные устройства более экологичными, поскольку она активируется водой и разлагается сразу после окончания срока службы.

Двухэлементная версия бумажной батареи. Empa

Разработанная учеными из швейцарского института Empa, новая батарея предназначена для использования в таких областях, как "умные" транспортные этикетки, экологические датчики и одноразовые медицинские диагностические устройства.

В своей нынешней экспериментальной форме аккумулятор состоит из нескольких соединенных между собой ячеек. Площадь каждой ячейки равняется одному сантиметру (0,4 дюйма), при этом ее бумажная основа пропитана хлоридом натрия (поваренная соль). Один ее конец покрыт воском, к которому прикреплены два провода.

На одну сторону бумаги нанесены чернила, содержащие хлопья графита - они служат катодом. На противоположной стороне нанесены чернила, содержащие цинковый порошок — это анод. Сверху на обе стороны бумаги нанесено третье покрытие, содержащее графитовые хлопья и сажу - оно соединяет катод и анод с проводами.

Когда на батарею наносится небольшое количество воды, жидкость заставляет соль в бумаге растворяться, высвобождая заряженные ионы. Когда эти ионы рассеиваются по увлажненной электролитом бумаге, они заставляют цинк в аноде окисляться и высвобождать электроны.

Ученые использовали двухэлементную бумажную батарейку для питания ЖК-будильника. Empa

"Затем эти электроны переносятся с цинксодержащего анода на графитовый катод, где они переходят в кислород из окружающей среды и, следовательно, восстанавливают его", - пояснили в Empa. "В результате таких окислительно-восстановительных реакций вырабатывается электрический ток, который может быть использован для питания внешнего электрического устройства".

В ходе лабораторных испытаний батарея из двух элементов смогла успешно обеспечить энергией небольшой будильник с жидкокристаллическим дисплеем.

Кроме того, было установлено, что всего двух капель воды было достаточно для запуска одного элемента уже через 20 секунд, при этом максимальное напряжение разомкнутой цепи элемента составило 1,2Вольта. Через час после начала работы (по мере высыхания бумаги) производительность ячейки значительно снизилась. Несмотря на это, батарея смогла поддерживать рабочее напряжение 0,5 вольта еще в течение часа, после того как на нее нанесли пару капель воды.

Руководитель исследования профессор Густав Нюстрём, ранее разработавший биоразлагаемый мини-конденсатор, считает, что при дальнейших технических разработках проблему высыхания бумаги удастся устранить.

Результаты данного эксперимента изложены в статье, которая недавно была опубликована в медицинском издании Scientific Reports.

Источники: Empa, journal Scientific Reports.
1. (https://www.nature.com/articles/s41598-022-15900-5)
2. (https://www.empa.ch/web/s604/wasser-aktivierte-batterie)