纸电池技术 新型纸电池 原理竟然是这样

2018-09-24 - 纸电池

纸张,是我们生活中十分熟悉的事物,从纸币到纸巾再到书本,都不开纸。造纸术是中国四大发明之一,纸是中国古代劳动人民的智慧结晶,人类文明史上的一项杰出的发明创造。

然而,纸张和电子又会有什么联系呢?

纸电池技术

目前,很多电子设备正在摆脱过去僵硬笨重的形象,走向柔性、可折叠、轻量、生物可降解的新形态。然而,纸张正好具备了这些特性,而且也是一种可再生的资源。同时,根据制造工艺的不同,纸张可以又有一些列特性,例如可以亲水或疏水,多孔或水密,不透明的或几乎透明等等。

纸电池技术

纸张材料和电子相结合,就产生了纸电子产品。纸电子,可以做到十分廉价。纸张本来就很便宜,成本相对于塑料薄膜、硅等材料来说都很便宜。纸材料在电子领域应用广泛,例如电子纸(一种纸张上的显示设备),除此之外还有传感器、生物分析、射频天线、电池、电路板或者智能包装标签的基板。在未来几年,我们还有望在消费电子领域,看到基于纸张技术的电子小产品。

纸电池技术

下面举几个例子说明纸电子的相关应用

晶体管:柔性纸基板上的晶体管,使用有机或者无机半导体通道。这个示意图展示了制造一个有机开关的方法。

纸张可以用于显示设备,反射入射光线,或者发出自己的光线。一种进行显示的方法就是改变液体像素的表面张力。

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有机发光二极管也可以在纸张基板上构造,使得显示器发光。

输送液体:这些基础的微流体传感器,位于滤纸上。直接通道导致原型传感器区域在二氧化氮下而变红。

纸电源:位于纸基质上的柔性、可折叠的太阳能阵列,使用汽相淀积法。这些太阳能阵列结合了五层,使用有机光伏材料,将光线转化为电力。

这项新发明和纸电子技术

这项新发明的领头人,是托马斯·沃森工程和应用科学学院,电气和计算机工程系的助理教授 Seokheun Sean Choi,他同时也是宾汉姆顿大学生物电子和微系统实验室的主任。

这项研究结合了生物技术和纸电子技术,能够给一次性电子设备供电,它减少了制造的时间和成本,同时彻底改变了生物电池的用途,让它可在远程、危险和资源受限的区域作为电源使用。

对于电子纸技术,研究的领头人Choi 教授这么说:

“Papertronics(纸电子),最近刚刚兴起,它是一种简单且低成本的方式,为一次医疗检验传感器供电。这种独立的、自我维持的、纸基的检验设备,能够在资源受限的环境中,提供有效的救生治疗。”

这种纸电池的制造方法和原理

Choi 和博士生 Yang Gao,在半张色层分析纸上,将呈带状的硝酸银放置在一层薄薄的蜡下面,制造出正极。他们两人随后设计了一个位于半张纸上的由导电聚合物组成的容器,作为负极,然后将纸折叠后,添加几滴充满细菌的液体,细菌细胞通过呼吸作用给电池供电。

“设备分为几层,由正极、负极、PEM(质子交换膜)组成,最终,电池需要手工集成,会存在潜在的问题例如纸层的错位和几层之间的垂直不连续性,最终会降低发电量。”

不同的折叠和堆叠方法,可以显著提高能量和电流输出。科学家通过让六个电池三行排列能够产生31.51毫瓦的电压和125.53微安的电流,以及通过六个电池六行排列的能够产生44.85毫瓦的电压和105.89微安的电流。

细菌纸电池的用途

点亮一盏40瓦的灯泡,可能需要几百万张纸电池。但是,在战场或者灾害环境下,可用性和便携性是最重要的。另外,这些纸电池产生的能量足以为生物传感器供电,这些生物传感器可用于监测糖尿病人的血糖级别,体内的病原体或者提供其他救生功能。还有就是,这种微生物电池还可以起到净化环境的作用,因为微生物可以分解污染物。

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