Бумажная батарея – тип электрической батареи, созданной для использования спейсеров, сделанных, в основном, из целлюлозы (главной составляющей бумаги). В ее состав включены наноструктуры, выполняющие функцию электродов с большой площадью поверхности для улучшения проводимости.
Помимо крайне малой толщины, бумажные батареи – гибки и экологически чисты, что позволяет использовать их в широком ряде товаров. Их принцип работы схож со стандартными химическими батареями, за исключением того, что первые не подвержены коррозии и не требуют большого количества свободного места.
Преимущества
Состав бумажных батарей – та особенность, что отличает их от стандартных батарей. Бумага распространена повсеместно и окупает сама себя, что делает ее дешевой. Хранение бумаги также стоит недорого, так как она – легко воспламеняющаяся и подвержена биологическому распаду. Использование бумаги делает батареи гораздо более гибкими. Такую батарею можно свернуть или обернуть вокруг предметов, вместо того, чтобы жестко их зафиксировать.
Также, будучи тонкой и плоской, бумажная батарея легко помещается в узких участках, что уменьшает размер и вес питаемых ими устройств. Использование бумаги усиливает поток электронов, что также делает ее пригодной в промышленных отраслях. Бумага способна обеспечивать капиллярное движение в батареях для таких жидкостей, как электролиты, что устраняет потребность во внешнем насосе. Использование бумаги в батареях увеличивает площадь поверхности, которую можно использовать для реагентов. Бумага, используемая в таких батареях, может быть свернута для улучшения ее технических характеристик.
Такие технологии нанесения рисунка, как фотолитография, батиковая набивка и лазерная микрообработка, используются для создания водоотталкивающих и влаголюбивых участков на бумаге, из которых делают дорожки для непосредственного капиллярного движения жидкостей в батареях. Схожие методы можно использовать для создания токопроводов на бумаге, что позволит разработать бумажные электрические приборы и системы накопления энергии.
Список преимуществ:
1. Можно использовать и как батарею, и как конденсатор.
2. Гибкость
3. Крайне малая толщина (для использования в накоплении энергии).
4. Высокая прочность
5. Нетоксичность
6. Стабильное производство энергии.
Недостатки
Несмотря на крайне впечатляющие преимущества бумажных батарей, многие значимые для них компоненты, как-то углеродные нанотрубки и нанесение рисунка, достаточно сложны и дороги
Список недостатков:
1. Склонны к разрыву
2. Нанотрубки из углерода – дороги из-за использования таких процедур, как электролиз и лазерная абляция.
3. Не должны вдыхаться, так как могут нанести вред легким.
Электролиты
Спейсеры на основе целлюлозы совместимы со многими электролитами. Исследователи применяли ионную жидкость, по сути – жидкую соль, как электролит в батарее, а также – естественные электролиты типа пота, крови и мочи человека. Использование ионной жидкости без содержания воды должно означать, что батареи не замерзнут или испарятся, что, потенциально, позволит применять их в экстремальных температурах. Условия работы (температура, влажность, статическое давление) для таких батарей будут зависеть от физических и химических свойств электролита, а также – от долговечности целлюлозной сети. Оба фактора являются потенциальными ограничителями.
Возможные области применения
Схожий с бумагой вид батарей вместе со структурой из встроенных нанотрубок дает им малый вес, низкую цену и возможность использования в портативной электронике, авиации, автомобилестроении и игрушках (к примеру, авиамоделях).
Батареи с использованием нанотрубок в теории могут показывать замедление выхода на рынок из-за чрезмерной дороговизны. Выход на рынок также требует более крупных устройств. К примеру, устройство размером с газету может быть достаточно мощным для питания целого автомобиля.
Бумагу можно включить в несколько различных видов батарей, например, электрохимические батареи, микробные топливные элементы, ионно-литиевые батареи, ионисторы и наногенераторы.
Электрохимические батареи
Электрохимические батареи можно переделать для использования бумаги. Как правило, такая батарея использует два металла, размещенных в двух отдельных камерах и соединенных мостом или мембраной, где возможен обмен электронами между металлами с последующим производством энергии. Бумагу можно включить в состав электрохимических батарей за счет размещения электрода на бумаге или использования бумаги для хранения жидкости, включающей батарею.
Также в электрохимических батареях можно использовать бумагу с нанесенным рисунком. Это происходит для того, чтобы батарею можно было использовать вместе с электроникой на бумаге. Такие батареи склонны вырабатывать ток низкого напряжения и работать в короткие периоды, но их можно соединить в цепь для увеличения выхода и емкости. Бумажные батареи такого типа можно активировать при помощи жидкостей тела человека, что делает их крайне полезными в здравоохранении, например, при использовании одноразовых медицинских изделий или тестов для определенных болезней. Батареи такого типа должны разрабатываться с более долгим сроком службы для питания систем у постели больного.
Устройства с бумажными батареями, где магниевая фольга применяется как анод, а серебро – как катод, используются для обнаружения у пациентов таких диагнозов, как рак почек и печени, а также – остеосаркома. Бумага с рисунком, который был нанесен при помощи батиковой набивки, может быть легко заменена. Более того, такая батарея была разработана при низких расходах и получила применение во многих других отраслях.
Ионно-литиевые батареи
Бумага, которую можно использовать в ионно-литиевых батареях, может быть как обычной, так и со вставками из одностенных углеродных нанотрубок. Улучшенная бумага используется и как электрод, и как сепаратор, что приводит к появлению прочной и гибкой батареи с отличными техническими характеристиками (большое число циклов зарядки-разрядки, высокий КПД, хорошая реверсивность). Использование бумаги в качестве сепаратора куда эффективнее, чем использование пластика. Однако, процесс улучшения бумаги может быть сложен и дорог, в зависимости от используемых материалов. Углеродные нанотрубки и пленка из серебряной нанопроволоки могут использоваться для покрытия обычной бумаги и создания более простых и дешевых сепараторов или запасных частей.
Проводящая бумага также может использоваться для замены стандартных металлических соединений. Получившаяся батарея работает хорошо, при этом упрощается процесс производства и падает ее цена. Ионно-литиевые бумажные батареи – гибки, долговечны, перезаряжаемы и производят куда больше энергии, чем электрохимические батареи. Несмотря на эти преимущества, все еще существует ряд недостатков.
Чтобы бумагу можно было включить в состав ионно-литиевой батареи, необходимы методы комплексного наслаивания и изоляции, чтобы батарея работала, как нужно. Причина – в том, что эти сложные методики используются для укрепления бумаги, чтобы она не рвалась так быстро. Это вносит свой вклад в общую прочность и гибкость батареи. Такие методы требуют времени, навыков и дорогостоящих материалов. К тому же, отдельные материалы не являются экологически чистыми и нуждаются в отдельных условиях хранения. Бумажные ионно-литиевые батареи лучше всего могут подойти для областей, требующих большое количество энергии на долгое время. Они могут состоять из углеродных нанотрубок и мембраны на основе целлюлозы, и показывать хорошие результаты, но за счет высокой цены.
Другие исследователи успешно использовали копировальную бумагу, сделанную из пиролизованной фильтровальной бумаги. Бумагу помещают между электродом и катодом. Использование копировальной бумаги в качестве промежуточного слоя в серно-литиевых батареях улучшает КПД и емкость батареи. Копировальная бумага увеличивает площадь контакта между катодом и электродом, обеспечивая лучший поток электронов. Поры в бумаге позволят электронам легко перемещаться, предотвращая контакт между анодом и катодом. Это приводит к большей мощности, емкости батареи и стабильности цикла (улучшения по сравнению с обычными литиево-серными батареями). Копировальная бумага сделана из пиролизованного бумажного фильтра – недорогого в производстве материала, который работает как бумага с многостенными углеродными трубками, используемой в качестве батареи.
Биохимические топливные элементы
Биохимические топливные элементы работают по принципу, схожему с принципом электрохимических батарей, за тем исключением, что используются такие компоненты, как сахар, спирт, пируват и соли молочной кислоты вместо металлов для облегчения окислительно-восстановительных реакций и производства энергии. улучшенная бумага используется для хранения и разделения анодов и катодов в биохимическом топливном элементе. Подобный элемент запускается гораздо быстрее, чем стандартный биохимический топливный элемент, так как бумага с порами способна впитывать положительно заряженное биотопливо и улучшать прикрепление бактерий. Подобная батарея способна вырабатывать значительное количество энергии после включения с помощью широкого спектра жидкостей, после чего их удаляют. В этом плане необходим важный прогресс, так как некоторые компоненты – токсичны и дороги.
Естественные электролиты могут позволить биологически совместимые батареи для применения в телах. Исследователь описывал бумажные батареи, как «способ питания малых устройств типа кардиостимуляторов без использования вредных химикатов – как те, что встречаются в батареях – внутри тела».
Их способность использовать электролиты в крови делает их потенциально пригодными для таких медицинских изделий, как кардиостимуляторы, диагностическое оборудование и трансдермальные пластыри для доставки препаратов. Немецкая фармкомпания «KWS Microtech» применяет материалы для подпитки прибора для проверки температуры кровотока.
Ионисторы
Технология бумажных батарей может использоваться в ионисторах. Ионисторы работают и производятся почти так же, как и электрохимические батареи, но, в большинстве своем, способны выдавать лучшие характеристики и перезаряжаться. Бумага или ее улучшенный аналог можно использовать для разработки тонких и гибких ионисторов, которые гораздо дешевле. Бумага, где вмонтированы углеродные нанотрубки, используется чаще обычной бумаги из-за большей прочности и возможности более легкого перехода электронов между двумя металлами. Электролит и электрод размещены на бумаге, которая становится основой для гибкого бумажного ионистора, способного конкурировать со многими современными аналогами. Бумажный ионистор может отлично подойти для цепей с высокой нагрузкой.
Наногенераторы
Наногенераторы – новейшие устройства, преобразовывающие механическую энергию в электричество. Бумага желательна, как компонент в наногенераторах по тем же причинам, что были описаны выше. Подобные устройства способны улавливать движение (как-то движение тела) и преобразовывать ее в электроэнергию, способную питать, например, светодиоды.