科學家開發可生物降解的印刷紙電池

來自新加坡南洋理工大學(NTUSingapore)的科學家開發出紙一樣薄的可生物降解鋅電池，有朝一日可能成為為柔性和可穿戴電子系統供電的環保可持續選擇。

NTU新加坡開發的鋅電池由電極(電流通過它離開或進入電池)組成，電極絲網印刷在一張用水凝膠增強的纖維素紙的兩面。

電池耗盡后，可以將其埋入土壤中，在一個月內完全分解。

在科學期刊AdvancedScience中描述的概念驗證實驗中，NTU團隊展示了4厘米x4厘米見方的印刷紙電池如何為小型電風扇供電至少45分鐘。彎曲或扭曲電池不會中斷供電。

在另一項使用4cmx4cm電池為LED供電的實驗中，科學家們表明，盡管切掉了部分紙電池，LED仍然亮著，表明切割不會影響電池的功能。

科學家們認為他們的印刷電池可以集成到柔性電子產品中，例如已經上市的可折疊智能手機，或用于健康監測的生物醫學傳感器。

來自南大物理與數學科學學院的教授、該研究的共同主要作者范洪進說：“傳統電池有多種型號和尺寸，為您的設備選擇合適的類型可能是一個繁瑣的過程。通過我們的研究中，我們展示了一種更簡單、更便宜的電池制造方法，通過開發可以在不損失效率的情況下切割成所需形狀和尺寸的單個大電池。這些特性使我們的紙電池非常適合集成在各種柔性電子設備中正在逐步開發中。”

來自南大電機與電子工程學院的助理教授、該研究的共同主要作者LeeSeokWoo說：“我們相信我們開發的紙電池可能有助于解決電子廢物問題，因為我們的印刷紙電池是非-有毒，不需要鋁或塑料外殼來封裝電池組件。避免使用包裝層還使我們的電池能夠在更小的系統內存儲更多的能量，從而儲存更多的能量。”

南大研究團隊開發的印刷紙鋅電池，其中還包括研究員楊培華博士和李嘉博士，符合南大2025愿景和大學的可持續發展宣言，旨在開發可持續的解決方案來解決人類面臨的一些緊迫的重大挑戰。

制造“三明治式”電池

電池通過產生電能的電化學反應為設備供電。電池的內部結構通常安裝在金屬或塑料外殼內。在這種情況下是陰極和陽極——這些是發生電化學反應的電極。

圖片來源：南洋理工大學

添加在陰極和陽極之間的隔板形成屏障并防止電極接觸，同時允許電荷在它們之間自由流動，避免短路。

電池內部還有一種稱為電解質的介質，它允許電荷在陰極和陽極之間流動。

為了開發出更薄、更輕且無需包裝的原型，南大科學家為他們的電池采用了“三明治設計”——電極就像面包片，印有電極的纖維素紙就像夾心餡。

制造過程首先用水凝膠增強纖維素紙，以填補纖維素中天然存在的纖維間隙。這形成了一個致密的隔板，有效地防止了電極的混合，這些電極被配制成“電極墨水”并絲網印刷在水凝膠增強纖維素紙的兩面。

陽極油墨主要由鋅和炭黑(一種導電類型的碳)組成。至于陰極墨水，科學家們開發了一種用錳和另一種用鎳作為概念驗證的類型，盡管研究小組表示可能會使用其他金屬。

印刷電極后，將電池浸入電解液中。然后在電極上涂上一層金薄箔，以增加電池的導電性。最終產品的厚度約為0.4毫米——大約是兩根人類頭發的厚度。

一種環保的替代品

由于水凝膠和纖維素會被細菌、真菌和其他微生物自然分解，電池在其使用壽命結束時可以簡單地埋在土壤中，在幾周內分解，使其成為完全可生物降解的產品。

為了證明紙電池的生物降解性，南大科學家將其埋在南大校園屋頂花園的土壤中。水凝膠增強纖維素紙在兩周后開始破裂，并在一個月內完全降解。

范教授說：“當分解發生時，電極材料會釋放到環境中。陰極中使用的鎳或錳將保持其氧化物或氫氧化物的形式，這接近于天然礦物的形式。鋅中發現的鋅陽極會自然氧化形成無毒的氫氧化物。這表明該電池具有作為當前電池更可持續替代品的潛力。”

展望未來，南大團隊希望展示印刷紙電池與其他印刷電子產品、電子皮膚以及部署在環境中的儲能系統的完全集成。