近几十年来，随着电子技术的发展，人们使用的各种电子设备不断在增加，这导致了每年全世界的电子垃圾呈现指数级增长，因此，人们开始倡导电子设备的重复使用和回收利用。而由于很多小型、简单、低功耗的电子设备往往是一次性使用的，因此，瑞士的科学家们开发了一种由水激活的一次性印刷纸电池，并且这种电池还能生物降解。相关研究论文由瑞士联邦材料科学与技术实验室纤维素和木材材料实验室和苏黎世联邦理工学院联合发表在了2022年7月28日的《自然》（Nature）杂志上。本期科普文章，我们就来聊聊“一次性印刷纸电池”的相关知识吧！

一次性印刷纸电池由什么组成

一次性印刷纸电池示意图

研究人员先从一张浸入盐水后晾干的纸开始。首先在纸张的一侧涂上含有石墨粉的墨水，用作正极。背面涂有含有锌粉的墨水，起到负极的作用。通俗来说，含有金属粉末的墨水充当正极和负极，盐水充当电解质，而纸张本身充当隔膜，因此这种特殊的纸张就成为了电池。

一次性印刷纸电池如何工作

纸质电池的工作原理

当纸变湿时，纸中的盐会溶解并释放带电离子，从而使电解质具有离子导电性。这些离子通过在纸张上分散来激活电池，使得阳极墨水中的锌被氧化，从而释放出电子。这些电子通过含石墨和黑炭的墨水、电线和设备从含锌阳极转移到石墨阴极。因此，这些氧化还原反应会产生用于为外部电气设备供电的电流。由于该设备是由水激活的，因此只要保持干燥，它的保质期就会非常长。

纸电池为带有LCD显示屏的小型闹钟供电

在研究人员随后的实验中，用两滴水在20秒内就可将电池激活，激活后，在不连接耗能设备时，单芯纸电池的电压为1.2V（我们日常使用的碱性电池的电压为1.5V），可稳定供电1小时左右。为了证明一次性印刷纸电池能够运行低功率电子设备，研究人员将两节纸电池组合成为一个电池成功为带有LCD显示屏的小型闹钟供电。

一次性印刷纸电池的未来前景

纸电池显微照片

在未来，随着各种低功耗、一次性使用的电子产品比如用于跟踪物体的智能标签、环境传感器和医疗诊断设备等被大规模投入使用，那么，这些电子产品都迫切需要一种可生物降解的电池来作为动力，而一次性印刷纸电池是其中一种非常有效的解决方案。

一次性印刷纸电池另一个应用领域可能是在不断扩大的软体机器人领域，新的可生物降解的一次性印刷纸电池为人类设计具有瞬态性能的机械人提供了全新的可能性。

最后总结：

纸电池的部分实验数据

一次性印刷纸电池很有发展前景，虽然它的研究还处于概念验证阶段，但这种纸质电池已经能够为闹钟的数字显示屏供电。目前纸质电池主要存在功率密度低和水蒸发过程中功能退化的问题，例如油墨印刷纸的功率密度为每平方厘米几百微瓦，这种功率密度非常低，限制了它在实际工作中的应用。

该研究团队的研究人员在接受媒体采访时表示，他们希望能在未来两到五年内实现该电池的商业化。

作者｜胡娜娜

来源｜郑州市第二届科普征文大赛投稿入选作品

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