不要忽視對(duì)小型低容量電池的需求

當(dāng)前很多媒體關(guān)注電池，以及重要的研發(fā)工作和商業(yè)投資，專(zhuān)注于高容量、功率密集的可充電(二次)電池。當(dāng)然，這種觀(guān)點(diǎn)很有意義，因?yàn)樗鼈冇糜陔妱?dòng)汽車(chē) (EV) 和其他更高功率的、通常是移動(dòng)的情況。

盡管如此，在無(wú)數(shù)情況下，低功率、能量有限、不可充電(一次)電源就足夠了，尤其是一次性應(yīng)用。其中包括即時(shí)診斷設(shè)備、智能包裝和標(biāo)簽，以及環(huán)境傳感。

許多這些需求目前通過(guò)小型紐扣電池或紐扣電池來(lái)滿(mǎn)足，通常使用氧化銀化學(xué)物質(zhì)，以及鋰、堿性、鋅-空氣和其他化學(xué)物質(zhì)。這些當(dāng)然可以完成工作，但實(shí)際上對(duì)于適度的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)可能“太多了”。

此外，它們?cè)斐闪藝?yán)重的廢物流和環(huán)境挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儙缀蹩偸潜蝗舆M(jìn)附近的垃圾桶?；厥账鼈?，即使它們進(jìn)入了這樣的設(shè)施，也是昂貴且復(fù)雜的。(是的，AA、A、C 和 D 型電池也應(yīng)該回收，但那是另一回事了。)

一個(gè)明顯的問(wèn)題是：“這些電池中有多少被使用了，有多少被扔掉了?” 我進(jìn)行了廣泛的在線(xiàn)研究，結(jié)果一無(wú)所獲。我發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)紐扣/紐扣電池使用量的數(shù)字是美元而不是單位，這對(duì)我來(lái)說(shuō)意義不大。

至于回收，有很多關(guān)于鉛酸汽車(chē)電池(80% 到 90% 是共識(shí))和用于電動(dòng)汽車(chē)的更大的鋰電池組(數(shù)字無(wú)處不在)的估計(jì)。此外，大多數(shù)估計(jì)(鉛酸除外)都集中在回收業(yè)務(wù)的美元數(shù)據(jù)上，而不是我想知道的回收紐扣電池和紐扣電池的百分比。對(duì)于紐扣電池和紐扣電池的回收，一個(gè)可信度不明的來(lái)源將其定為 3%——我想可能是這樣。

鑒于需要一次性和相對(duì)低能量/低功率的一次性電池，備受尊敬的瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(稱(chēng)為 EMPA(Eidgen?ssische Materialprüfungs und Forschungsanstalt 的德語(yǔ)首字母縮寫(xiě)))的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種一次性紙電池，可減少電池在此類(lèi)一次性應(yīng)用中對(duì)環(huán)境的影響。他們的基本電池大約為 1 cm 2，使用鋅作為金屬陽(yáng)極，石墨作為無(wú)毒陰極材料，紙作為可生物降解的基材。

電池保持不活動(dòng)狀態(tài)，因此保持其全部能量容量，直到水被添加并被紙質(zhì)基材吸收，利用其自然的芯吸行為。一旦激活，單個(gè)電池可提供 1.2 V 的開(kāi)路電位 (OCP) 和0.5 mA時(shí) 150 μW/cm 2的峰值功率密度。

這些材料乍一看既簡(jiǎn)單又復(fù)雜。他們開(kāi)發(fā)的陽(yáng)極和陰極材料與增材制造技術(shù)兼容，可以用模板印刷成各種形狀和尺寸。紙用作陽(yáng)極和陰極之間的隔板，并注入干電解質(zhì)，只需幾滴水即可激活。

電池的電化學(xué) (EC) 電池由夾在鋅基陰極和石墨基空氣陰極之間的紙膜組成。在添加水(電解質(zhì))并滲透膜之前，該設(shè)備保持不活動(dòng)狀態(tài)。在濾紙上通過(guò)模板印刷制作的單電池圖片。在電池端子處，濾紙浸有蠟以避免引線(xiàn)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并提供機(jī)械穩(wěn)定性。模版印刷紙電池的照片，其設(shè)計(jì)拼寫(xiě)著研究機(jī)構(gòu) (Empa) 的名稱(chēng);還為小型 LCD 時(shí)鐘供電。該裝置由兩個(gè)電化學(xué)電池組成，這兩個(gè)電池被防水層隔開(kāi)并串聯(lián)連接，電池的橫截面示意圖及其疊加等效電路(對(duì)于理想電壓源)。

電池由打印在長(zhǎng)方形紙條上的三種墨水組成。標(biāo)準(zhǔn)鹽(氯化鈉)分散在整個(gè)紙條上，其較短的一端浸入蠟中。將含有石墨片的油墨印刷在紙的一個(gè)平面上，作為電池的正極(陰極)，而將含有鋅粉的油墨印刷在紙的反面，作為電池的負(fù)極。電池(陽(yáng)極)。

另一種含有石墨片和炭黑的墨水印在紙張的兩面，在其他兩種墨水之上。這種墨水構(gòu)成了將電池的正極和負(fù)極連接到兩條電線(xiàn)的集電器，這兩條電線(xiàn)位于紙的浸蠟端。集電器的作用是將陰極和陽(yáng)極連接到外部電路。所有油墨都經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和測(cè)試，以確保它們具有剪切稀化凝膠特性，這些特性與模板印刷和基于擠出的 3D 打印等增材制造技術(shù)兼容。

當(dāng)加入少量水時(shí)，紙中的鹽會(huì)溶解并釋放帶電離子，從而使電解質(zhì)具有離子導(dǎo)電性。這些離子通過(guò)紙分散來(lái)激活電池，導(dǎo)致陽(yáng)極墨水中的鋅被氧化，從而釋放電子。通過(guò)關(guān)閉外部電路，這些電子從含鋅陽(yáng)極——通過(guò)含石墨和炭黑的墨水、電線(xiàn)和設(shè)備——轉(zhuǎn)移到石墨陰極，在那里它們被轉(zhuǎn)移到——并因此還原——氧氣來(lái)自環(huán)境空氣。這些氧化還原反應(yīng)(還原和氧化)因此產(chǎn)生可用于為外部電氣設(shè)備供電的電流。

對(duì)單節(jié)電池的性能分析表明，只要加入兩滴水，電池就會(huì)在 20 秒內(nèi)激活。一小時(shí)后，隨著紙變干，單芯電池的性能顯著下降。然而，在研究人員僅額外添加兩滴水后，電池便可在 0.5 伏特的穩(wěn)定工作電壓下維持一個(gè)多小時(shí)。作為演示，該團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)電池組合成一個(gè)電池以提高工作電壓，并用它為 LCD 鬧鐘供電。

您認(rèn)為這些低容量、一次性且易于處理的電池有什么用嗎?或者它們只是一個(gè)聰明的想法但在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用有限?