Когда вы думаете об одноразовых вещах созданных из легкоперерабатываемого материла, то наверняка они будут бумажными. Так почему бы не делать из нее больше чем, к примеру, посуду? Инжинеры давно задаются похожими вопросами, пытаясь создать бумажную батарейку. Исследование, подтверждающее концепцию, опубликованное в журнале Scientific Reports, описывает одноразовую бумажную батарею, активируемую водой. По словам ученых, такой аккумулятор можно использовать для питания широкого спектра одноразовой электроники с низким энергопотреблением, такой как умные этикетки для отслеживания предметов, датчики окружающей среды и медицинские диагностические устройства, тем самым сводя к минимуму их воздействие на окружающую среду.
Батарея была разработана Густавом Нюстрёмом и его коллегами и состоит как минимум из одной ячейки площадью один сантиметр в квадрате и состоит из трех чернил, напечатанных на прямоугольном листе бумаги. Бумажная полоска покрыта солью хлорида натрия, а один из ее коротких концов погружен в воск. На одну из плоских сторон бумаги нанесена краска, содержащая графитовые чешуйки, которая служит положительным концом батареи (катодом). Другая сторона напечатана чернилами, содержащими порошок цинка, который служит отрицательным концом батареи (анодом).
Кроме того, поверх двух других красок на обе стороны бумаги наносится краска, содержащая графитовые чешуйки и сажу. Эти чернила соединяют положительный и отрицательный концы батареи с двумя проводами, расположенными на конце бумаги, покрытом воском. Соли в бумаге растворяются при добавлении небольшого количества воды, высвобождая заряженные ионы. Эти ионы распространяются по бумаге, чтобы активировать батарею, что заставляет цинк в чернилах на отрицательном конце батареи высвобождать электроны.
Присоединение проводов к электрическому устройству замыкает цепь, так что электроны могут передаваться от отрицательного конца — через чернила, провода и устройство, содержащие графит и сажу, — к положительному концу (чернила, содержащие графит), где они переходят в кислород окружающего воздуха. Эти реакции генерируют электрический ток, который можно использовать для питания устройства.
Чтобы продемонстрировать способность своей батареи работать с маломощной электроникой, авторы объединили две ячейки в одну батарею и использовали ее для питания будильника с жидкокристаллическим дисплеем. Анализ работоспособности одноэлементной батареи показал, что после добавления двух капель воды батарея активировалась в течение 20 секунд и при отсутствии подключения к энеремкому устройству достигала стабильного напряжения 1,2 вольта.
Напряжение стандартной щелочной батареи типа АА составляет 1,5 вольта. Через час производительность одноячеечной батареи значительно снизилась из-за высыхания бумаги. Однако после того, как были добавлены еще две капли воды, он поддерживал стабильное рабочее напряжение 0,5 вольта в течение более одного дополнительного часа.
Авторы предполагают, что биоразлагаемость бумаги и цинка может позволить их батарее свести к минимуму воздействие одноразовой маломощной электроники на окружающую среду. Они предполагают, что устойчивость батареи может быть дополнительно увеличена за счет минимизации количества цинка, используемого в чернилах, что также позволяет точно контролировать количество электроэнергии, вырабатываемой батареей.
