Бумажная батарейка
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2014 г. ) |
используется В бумажной батарее прокладка, состоящая в основном из целлюлозы (основного компонента бумаги). Он включает в себя структуры наноскопического масштаба с большой площадью поверхности , которые действуют как электроды и улучшают проводимость. [1]
Бумажные батарейки не только необычайно тонкие, но и гибкие и экологически чистые. [2] возможность интеграции в широкий спектр продуктов. Их функционирование аналогично обычным химическим батареям с той важной разницей, что они не подвержены коррозии и не требуют обширного жилья.
Преимущества
[ редактировать ]Состав этих батарей отличает их от традиционных батарей. Бумаги много и она является самодостаточной, что делает бумагу дешевой. Утилизация бумаги также обходится недорого, поскольку бумага горюча и биоразлагаема . Использование бумаги дает аккумулятору большую гибкость. Аккумулятор можно согнуть или обернуть вокруг предметов вместо фиксированного корпуса. Кроме того, будучи тонким плоским листом, бумажная батарейка легко помещается в труднодоступных местах, уменьшая размер и вес устройства, которое она питает. Использование бумаги увеличивает поток электронов, что хорошо подходит для высокопроизводительных приложений. Бумага обеспечивает капиллярное действие , поэтому жидкости в батареях, такие как электролиты , можно перемещать без использования внешнего насоса. Использование бумаги в батареях увеличивает площадь поверхности, которую можно использовать для интеграции реагентов . Бумагу, используемую в бумажных батарейках, можно дополнять для улучшения ее эксплуатационных характеристик. такие методы нанесения рисунка, как фотолитография , восковая печать и лазерная микрообработка. Для создания узоров используются гидрофобные и гидрофильные участки на бумаге, чтобы создать путь для направления капиллярного действия жидкостей, используемых в батареях. Подобные методы можно использовать для создания электрических путей на бумаге, создания бумажных электрических устройств и интеграции бумажных накопителей энергии. [3]
Другие преимущества включают в себя:
- Используется как аккумулятор и конденсатор.
- Он гибкий.
- Это ультратонкое устройство хранения энергии.
- Долгоиграющий.
- Нетоксичный.
- Стабильное производство электроэнергии.
- Биоразлагаемый
- Отсутствие протечек и перегрева
Недостатки
[ редактировать ]Хотя преимущества бумажных батарей весьма впечатляющи, многие компоненты, которые делают их замечательными, такие как углеродные нанотрубки и рисунок, сложны и дороги. [3]
1. Склонен к разрывам.
2. Нанотрубки, изготовленные из углерода, дороги из-за использования таких процедур, как электролиз и лазерная абляция.
3. Не следует вдыхать, так как они могут повредить легкие.
Электролиты
[ редактировать ]Этот спейсер на основе целлюлозы совместим со многими возможными электролитами. Исследователи использовали ионную жидкость батареи , по сути, жидкую соль, в качестве электролита , а также природные электролиты, такие как человеческий пот, кровь и моча. Использование ионной жидкости, не содержащей воды, будет означать, что батареи не замерзнут и не испарятся, что потенциально позволит работать при экстремальных температурах. [ нужна ссылка ] Условия эксплуатации (например, температура, влажность, статическое давление) таких батарей будут зависеть от физических и химических свойств электролита, а также долговечности целлюлозной сетки; оба потенциально ограничивающих фактора.
Возможные применения
[ редактировать ]Качество батареи, похожее на бумагу, в сочетании со структурой встроенных в нее нанотрубок придает им легкий вес и низкую стоимость, что открывает потенциал для портативной электроники, самолетов , автомобилей и игрушек (например, авиамоделей ).
В батареях используются нанотрубки, что потенциально замедляет коммерческое внедрение из-за чрезмерной стоимости. Коммерческое внедрение также требует более крупных устройств. Например, устройство размером с газету может быть достаточно мощным, чтобы обеспечить питанием автомобиль. [4]
Бумагу можно использовать в нескольких различных формах батарей, таких как электрохимические батареи, биотопливные элементы , литий-ионные батареи , суперконденсаторы и наногенераторы .
Электрохимические батареи
[ редактировать ]Электрохимические батареи можно модифицировать для интеграции использования бумаги. В электрохимической батарее обычно используются два металла, разделенные на две камеры и соединенные мостиком или мембраной, которая обеспечивает обмен электронами между двумя металлами, тем самым производя энергию. Бумагу можно включать в электрохимические батареи, помещая электрод на бумагу и используя бумагу для содержания жидкости, используемой для активации батареи. Бумагу с рисунком также можно использовать в электрохимических батареях. Это сделано для того, чтобы сделать аккумулятор более совместимым с бумажной электроникой. Эти батареи, как правило, производят низкое напряжение и работают в течение коротких периодов времени, но их можно соединить последовательно, чтобы увеличить их выходную мощность и емкость. Бумажные батарейки этого типа можно активировать биологическими жидкостями, что делает их очень полезными в сфере здравоохранения, например, в качестве одноразовых медицинских устройств или тестов на конкретные заболевания. [3] Батарея этого типа была разработана с более длительным сроком службы для питания медицинских устройств в сфере здравоохранения. В устройстве использовалась бумажная батарея, изготовленная с использованием анода из магниевой фольги, а серебряный катод использовался для выявления таких заболеваний у пациентов, как рак почки, рак печени и остеобластный рак кости. На бумаге нанесен рисунок с помощью восковой печати, и ее можно легко утилизировать. Кроме того, эта батарея была разработана с низкой стоимостью и имеет другое практическое применение. [5]
Литий-ионные аккумуляторы
[ редактировать ]Бумагу можно использовать в литий-ионных батареях как обычную коммерческую бумагу или бумагу, обогащенную одностенными углеродными нанотрубками. В качестве электрода и сепаратора используется улучшенная бумага, в результате чего получается прочная, гибкая батарея с отличными эксплуатационными характеристиками, такими как хорошая цикличность , высокая эффективность и хорошая обратимость. Использование бумаги в качестве разделителя более эффективно, чем использование пластика. Однако процесс улучшения бумаги может быть сложным и дорогостоящим, в зависимости от используемых материалов. Углеродные нанотрубки и пленку из нанопроволоки серебра можно использовать для покрытия обычной бумаги, чтобы создать более простой и менее дорогой сепаратор и опору для батареи. Проводящая бумага также может использоваться для замены традиционно используемых металлических химикатов. Полученная батарея работает хорошо, упрощая при этом производственный процесс и снижая стоимость. Литий-ионные бумажные батареи гибкие, долговечные, перезаряжаемые и производят значительно больше энергии, чем электрохимические батареи. Несмотря на эти преимущества, все же имеются некоторые недостатки. Чтобы бумага могла быть интегрирована в литий-ионную батарею, необходимы сложные методы наслоения и изоляции, чтобы батарея функционировала должным образом. Одной из причин использования этих сложных методов является укрепление используемой бумаги, чтобы она не рвалась так легко. Это способствует общей прочности и гибкости батареи. Эти методы требуют времени, обучения и дорогостоящих материалов. Кроме того, отдельные требуемые материалы не являются экологически чистыми и требуют особых процедур утилизации. Бумажные литий-ионные батареи лучше всего подходят для применений, требующих значительного количества энергии в течение длительного периода времени. [3] Литий-ионные бумажные батареи могут состоять из углеродных нанотрубок и мембраны на основе целлюлозы и давать хорошие результаты, но стоят дорого. Другие исследователи добились успеха в использовании копировальной бумаги, изготовленной из пиролизованной фильтровальной бумаги. Бумага вставляется между электродом и катодом. Использование копировальной бумаги в качестве прослойки в Li-S батареях повышает эффективность и емкость батарей. Копировальная бумага увеличивает площадь контакта между катодом и электродом, что обеспечивает больший поток электронов. Поры в бумаге позволяют электронам легко перемещаться, предотвращая при этом контакт анода и катода друг с другом. Это приводит к увеличению производительности, емкости аккумулятора и стабильности цикла; это усовершенствования обычных Li-S аккумуляторов. Копировальная бумага изготавливается из пиролизованной фильтровальной бумаги, которая недорога в изготовлении и действует как бумага с многостенными углеродными нанотрубками, используемая в качестве батареи. [6]
Биотопливные элементы
[ редактировать ]Биотопливные элементы работают аналогично электрохимическим батареям, за исключением того, что в них используются такие компоненты, как сахар, этанол, пируват и лактат, вместо металлов, чтобы облегчить окислительно-восстановительные реакции для производства электрической энергии. Улучшенная бумага используется для содержания и разделения положительных и отрицательных компонентов биотопливного элемента. Этот бумажный биотопливный элемент заработал гораздо быстрее, чем обычный биотопливный элемент, поскольку пористая бумага была способна поглощать положительное биотопливо и способствовать прикреплению бактерий к положительному биотопливу. Эта батарея способна производить значительное количество энергии после активации широким спектром жидкостей, а затем подлежит утилизации. Некоторые разработки должны иметь место, поскольку некоторые компоненты токсичны и дороги. [3]
Природные электролиты могут позволить биосовместимые использовать батареи на живых телах или внутри них. Бумажные батарейки были описаны исследователем как «способ привести в действие небольшое устройство, такое как кардиостимулятор, без попадания в организм каких-либо агрессивных химикатов, таких как те, которые обычно содержатся в батарейках». [7]
Их способность использовать электролиты в крови делает их потенциально полезными для медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы , медицинское диагностическое оборудование и трансдермальные пластыри для доставки лекарств . Немецкая медицинская компания KSW Microtech использует этот материал для крови . мониторинга температуры [ нужна ссылка ]
Суперконденсаторы
[ редактировать ]Технология бумажных батарей может быть использована в суперконденсаторах . [8] [9] Суперконденсаторы работают и производятся аналогично электрохимическим батареям, но, как правило, обладают большей производительностью и могут перезаряжаться. Бумагу или улучшенную бумагу можно использовать для разработки тонких, гибких суперконденсаторов, которые будут легкими и менее дорогими. Бумага, обогащенная углеродными нанотрубками, обычно предпочтительнее обычной бумаги, поскольку она имеет повышенную прочность и облегчает перенос электронов между двумя металлами. Электролит и электрод внедряются в бумагу, что позволяет получить гибкий бумажный суперконденсатор, который может конкурировать с некоторыми коммерческими суперконденсаторами, производимыми сегодня. Бумажный суперконденсатор хорошо подходит для приложений большой мощности. [3]
Наногенераторы
[ редактировать ]Наногенераторы — более современные устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую. Бумага желательна в качестве компонента наногенераторов по тем же причинам, которые обсуждались выше. Такие устройства способны улавливать движение, например, движение тела, и преобразовывать эту энергию в электрическую энергию, которая может, например, питать светодиодные фонари. [3]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пушпарадж, Виктор Л.; Шайджумон, Маникот М.; Кумар, Ашавани; Муругесан, Сараванабабу; Ци, Лицзе; Вайтай, Роберт; и др. (август 2007 г.). «Гибкие накопители энергии на основе нанокомпозитной бумаги» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 104 (34): 13575–7. Бибкод : 2007PNAS..10413574P . дои : 10.1073/pnas.0706508104 . ЧВК 1959422 . ПМИД 17699622 . Проверено 23 июля 2014 г. .
- ^ «EDN: Бумажные батарейки — они настоящие?» .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Нгуен, Т.; Фрайван, А.; Чой, С. (2014). «Бумажные батарейки: обзор». Биосенсоры и биоэлектроника . 54 : 640–649. дои : 10.1016/j.bios.2013.11.007 . ПМИД 24333937 .
- ^ «Бумажная батарейка – это сила будущего» . Новости Би-би-си . 14 августа 2007 года . Проверено 15 января 2008 г.
- ^ Ку, Ю.; Санкар, Дж.; Юн, Ю. (2014). «Высокоэффективный магниевый анод в микрофлюидной батарее на бумажной основе, обеспечивающий встроенный флуоресцентный анализ» . Биомикрофлюидика . 8 (5): 7. дои : 10,1063/1,4894784 . ПМЦ 4189589 . ПМИД 25332741 .
- ^ Чжан, К.; Ли, К.; Чжан, Л.; Фанг, Дж.; Ли, Дж.; Цинь, Ф.; Лай, Ю. (2014). «От фильтровальной бумаги к копировальной бумаге и к прослойке Li-S батареи». Материалы писем . 121 : 198–201. дои : 10.1016/j.matlet.2014.01.151 .
- ^ «Не только батареи: сохранение энергии на листе бумаги» . Политехнический институт Ренсселера . 13 августа 2007 года . Проверено 15 января 2008 г.
- ^ Пушпарадж, Виктор Л.; Маникот, Шайджумон М.; Кумар, Ашавани; Муругесан, Сараванабабу; Ци, Лицзе; Вайтай, Роберт; Линхардт, Роберт Дж.; Наламасу, Омкарам; Аджаян, Пуликель М. «Гибкие нанокомпозитные тонкопленочные устройства хранения энергии» (PDF) . Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104, 13574-13577, 2007. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2010 г. Проверено 0 августа 2010 г.
- ^ Мальти А.; Эдберг Э.; Гранберг Х.; Зия Улла К.; Лю Х.; Чжао Д.; Чжан Х.; Яо Ю.; Брилл Дж.; Энквист И.; Фальман М.; Вагберг Л.; Криспин X.; Берггрен М. (2016). «Органический смешанный ионно-электронный проводник для силовой электроники». Передовая наука . Том. 3, нет. 2. Advanced Science 3, 1500305, 2016. doi : 10.1002/advs.201500305 .
- Батарея для печати скатывается с печатной машины, получено 22 мая 2006 г.