Papírová baterie - Paper battery

A papírová baterie je navržen tak, aby používal rozpěrku tvořenou převážně z celulóza (hlavní složka papíru). Zahrnuje struktury v [nanoskopickém měřítku], které působí jako velký povrch elektrody zlepšit vodivost.[1]

Kromě neobvykle tenkých jsou papírové baterie flexibilní a šetrné k životnímu prostředí,[2] umožňující integraci do široké škály produktů. Jejich funkce je podobná konvenčním chemickým bateriím s tím rozdílem, že jsou nekorozivní a nevyžadují rozsáhlé pouzdro.

Výhody

Složení těchto baterií je tím, co je odlišuje od tradičních baterií. Papír je bohatý a soběstačný, díky čemuž je papír levný. Likvidace papíru je také levná, protože papír je stejně hořlavý biologicky odbouratelný. Použití papíru dává baterii velkou flexibilitu. Akumulátor lze namísto pevného krytu ohýbat nebo omotávat kolem předmětů. Papírová baterie, která je tenkým, plochým listem, se snadno vejde na pevná místa a sníží tak velikost a hmotnost zařízení, které napájí. Použití papíru zvyšuje tok elektronů, což je vhodné pro vysoce výkonné aplikace. Papír umožňuje kapilární akce takže tekutiny v bateriích, jako např elektrolyty, lze přesouvat bez použití externího čerpadla. Použití papíru v bateriích zvětšuje integrovanou plochu, kterou lze použít činidla. Papír používaný v papírových bateriích lze za účelem zlepšení jeho výkonových charakteristik doplnit. Techniky vzorování jako např fotolitografie K výrobě se používá voskový tisk a laserové mikroobrábění hydrofobní a hydrofilní části na papíře k vytvoření cesty k nasměrování kapilárního působení tekutin používaných v bateriích. Podobné techniky lze použít k vytvoření elektrických drah na papíře k vytvoření papírových elektrických zařízení a k integraci skladování energie papíru.[3]

1. Používá se jako baterie i kondenzátor. 2. Je flexibilní. 3. Je to ultratenké zařízení pro ukládání energie. 4. Dlouhá životnost. 5. Netoxický. 6. Stabilní výroba energie.

Nevýhody

Ačkoli výhody papírových baterií jsou docela působivé, mnoho komponent, díky nimž jsou skvělé, jako např uhlíkové nanotrubice a vzorování, jsou komplikované a drahé.[3]

1. Sklon k trhání.

2. Nanotrubice vyrobené z uhlíku jsou drahé kvůli použití postupů, jako je elektrolýza a laserová ablace.

3. Neměl by být inhalován, protože mohou poškodit plíce

Elektrolyty

Tento spacer na bázi celulózy je kompatibilní s mnoha možnými elektrolyty. Výzkumníci použili iontová kapalina, v podstatě tekutá sůl, jako je baterie elektrolyt, stejně jako přirozeně se vyskytující elektrolyty, jako je lidský pot, krev a moč. Použití iontové kapaliny neobsahující vodu by znamenalo, že baterie nezmrazí ani se neodpaří, což by potenciálně umožnilo provoz při extrémních teplotách.[Citace je zapotřebí ] Provozní podmínky (např. Teplota, vlhkost, statický tlak) takových baterií závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech elektrolytu a také na trvanlivosti celulózové síťoviny; oba potenciálně omezující faktory.

Potenciální aplikace

Papírová kvalita baterie v kombinaci se strukturou nanotrubiček zabudovaných do nich jim dává nízkou hmotnost a nízkou cenu a nabízí potenciál pro přenosnou elektroniku, letadlo, automobily a hračky (např model letadla ).

Baterie používají nanotrubice, což potenciálně zpomaluje komerční adopci kvůli nadměrným nákladům. Komerční adopce také vyžaduje větší zařízení. Například zařízení velikosti novin by mohlo být dostatečně silné, aby pohánělo auto.[4]

Papír lze integrovat do několika různých forem baterií, například elektrochemické baterie, biopalivové články, lithium-iontové baterie, superkondenzátory, a nanogenerátory.

Elektrochemické baterie

Elektrochemické baterie lze upravit tak, aby integrovaly použití papíru. Elektrochemická baterie obvykle používá dva kovy, rozdělené do dvou komor a spojené můstkem nebo membránou, která umožňuje výměnu elektronů mezi těmito dvěma kovy, čímž se vyrábí energie. Papír lze integrovat do elektrochemických baterií uložením elektrody na papír a použitím papíru k zadržení kapaliny použité k aktivaci baterie. Papír se vzorem lze použít také v elektrochemických bateriích. To se děje, aby byla baterie více kompatibilní s papírovou elektronikou. Tyto baterie mají tendenci vytvářet nízké napětí a pracují po krátkou dobu, ale lze je zapojit do série, aby se zvýšil jejich výkon a kapacita. Papírové baterie tohoto typu lze aktivovat tělními tekutinami, což je činí velmi užitečnými v oblasti zdravotní péče, jako jsou zdravotnické prostředky na jedno použití nebo testy na konkrétní nemoci.[3]Baterie tohoto typu byla vyvinuta s delší životností bod péče zařízení pro zdravotnický průmysl. Zařízení používalo papírovou baterii vyrobenou pomocí anody z hořčíkové fólie a stříbrná katoda byla použita k detekci onemocnění u pacientů, jako je rakovina ledvin, rakovina jater a osteoblastická rakovina kostí. Papír byl vzorován pomocí voskového tisku a lze jej snadno zlikvidovat. Kromě toho byla tato baterie vyvinuta za nízkou cenu a má další praktické využití.[5]

Lithium-iontové baterie

Papír lze použít v lithium-iontových bateriích jako běžný, komerční papír nebo papír vylepšený jednostěnnými uhlíkovými nanotrubičkami. Vylepšený papír se používá jako elektroda a jako oddělovač, což má za následek robustní, flexibilní baterii, která má skvělé možnosti výkonu, jako je dobrá cyklistika, velká účinnost a dobrá reverzibilita. Použití papíru jako oddělovače je účinnější než použití plastu. Proces vylepšování papíru však může být komplikovaný a nákladný v závislosti na použitých materiálech. Uhlíkový nanotrubičkový a stříbrný nanodrátový film lze použít k potažení běžného papíru a vytvoření jednodušší a levnější podpory oddělovače a baterie. Vodivý papír lze také použít k nahrazení tradičně používaných kovových chemikálií. Výsledná baterie funguje dobře, přičemž zjednodušuje výrobní proces a snižuje náklady. Lithium-iontové papírové baterie jsou flexibilní, odolné, dobíjecí a produkují podstatně více energie než elektrochemické baterie. I přes tyto výhody stále existují určité nevýhody. Aby mohl být papír integrován do lithium-iontové baterie, je pro její fungování zapotřebí složité techniky vrstvení a izolace. Jedním z důvodů, proč se tyto složité techniky používají, je zesílení použitého papíru tak, aby se neroztrhl tak snadno. To přispívá k celkové síle a pružnosti baterie. Tyto techniky vyžadují čas, školení a nákladné materiály. Jednotlivé požadované materiály navíc nejsou šetrné k životnímu prostředí a vyžadují specifické postupy likvidace. Papírové lithium-iontové baterie by byly nejvhodnější pro aplikace vyžadující značné množství energie po delší dobu.[3] Lithium-iontové papírové baterie mohou být složeny z uhlíkových nanotrubiček a membrány na bázi celulózy a poskytují dobré výsledky, ale za vysokou cenu. Jiní vědci úspěšně využívali uhlíkový papír vyrobený z pyrolyzovaného filtračního papíru. Papír je vložen mezi elektrodu a katodu. Použití uhlíkového papíru jako mezivrstvy v Li-S baterií zlepšuje účinnost a kapacitu baterií. Uhlíkový papír zvětšuje kontaktní plochu mezi katodou a elektrodou, což umožňuje větší tok elektronů. Póry v papíru umožňují elektronům snadno cestovat, přičemž zabraňují vzájemnému kontaktu anody a katody. To se promítá do většího výkonu, kapacity baterie a stability cyklu; jedná se o vylepšení konvenčních Li-S baterií. Uhlíkový papír je vyroben z pyrolyzovaný filtrační papír, který je levný na výrobu a funguje jako vícevrstvý uhlíkový nanotrubičkový papír používaný jako baterie.[6]

Buňky na biopaliva

Biopalivo články fungují podobně jako elektrochemické baterie, až na to, že místo kovů využívají komponenty, jako je cukr, ethanol, pyruvát a laktát, k usnadnění redoxních reakcí k výrobě elektrické energie. Vylepšený papír se používá k zadržení a oddělení pozitivních a negativních složek biopalivové buňky. Tato buňka na výrobu biopaliv z papíru se rozběhla mnohem rychleji než běžná buňka na biopaliva, protože porézní papír byl schopen absorbovat pozitivní biopalivo a podporovat připojení bakterií k pozitivnímu biopalivu. Tato baterie je schopna produkovat značné množství energie poté, co byla aktivována širokou škálou kapalin a poté zlikvidována. Musí dojít k určitému vývoji, protože některé komponenty jsou toxické a drahé.[3]

Přirozeně se vyskytující elektrolyty to mohou dovolit biologicky kompatibilní baterie pro použití na živých tělech nebo v nich. Papírové baterie popsal výzkumník jako „způsob napájení malého zařízení, jako je kardiostimulátor, bez vnášení jakýchkoli agresivních chemikálií - jako jsou ty, které se obvykle nacházejí v bateriích - do těla.“[7]

Jejich schopnost používat elektrolyty v krvi je činí potenciálně užitečnými pro zdravotnická zařízení, jako jsou kardiostimulátory, lékařská diagnostika vybavení a dodávka léků transdermální náplasti. Německá zdravotnická společnost KSW Microtech používá tento materiál k napájení krev monitorování teploty přívodu.[Citace je zapotřebí ]

Superkondenzátory

Technologie papírové baterie může být použita v superkondenzátory.[8][9] Superkondenzátory fungují a jsou vyráběny podobně jako elektrochemické baterie, ale jsou obecně schopné vyššího výkonu a lze je dobíjet. Papír nebo vylepšený papír lze použít k vývoji tenkých, flexibilních superkondenzátorů, které jsou lehké a levnější. Papír, který byl vylepšen uhlíkovými nanotrubičkami, je obecně upřednostňován před běžným papírem, protože má zvýšenou pevnost a umožňuje snadnější přenos elektronů mezi těmito dvěma kovy. Elektrolyt a elektroda jsou zapuštěny do papíru, který produkuje flexibilní papírový superkondenzátor, který může konkurovat některým dnes vyráběným komerčním superkondenzátorům. Papírový superkondenzátor by se dobře hodil pro vysoce výkonné aplikace.[3]

Nanogenerátory

Nanogenerátory jsou novější zařízení, která převádějí mechanickou energii na energii elektrickou. Papír je žádoucí jako součást nanogenerátorů ze stejných důvodů, které byly diskutovány výše. Taková zařízení jsou schopna zachytit pohyb, jako je pohyb těla, a převést tuto energii na elektrickou energii, která by mohla napájet například LED světla.[3]

Viz také

Poznámky

  1. ^ Pushparaj, Victor L .; Shaijumon, Manikoth M .; Kumar, Ashavani; Murugesan, Saravanababu; Ci, Lijie; Vajtai, Robert; et al. (Srpen 2007). „Flexibilní zařízení pro ukládání energie na bázi nanokompozitního papíru“ (PDF). Sborník Národní akademie věd. 104 (34): 13575–7. doi:10.1073 / pnas.0706508104. PMC  1959422. PMID  17699622. Citováno 23. července 2014.
  2. ^ „EDN: Papírové baterie jsou skutečné?“.
  3. ^ A b C d E F G Nguyen, T .; Fraiwan, A .; Choi, S. (2014). „Baterie na papíře: recenze“. Biosenzory a bioelektronika. 54: 640–649. doi:10.1016 / j.bios.2013.11.007. PMID  24333937.
  4. ^ „Papírová baterie nabízí budoucí výkon“. BBC novinky. 14. srpna 2007. Citováno 2008-01-15.
  5. ^ Koo, Y .; Sankar, J .; Yun, Y. (2014). „Vysoce výkonná hořčíková anoda v papírové mikrofluidní baterii, která napájí fluorescenční test na čipu“. Biomikrofluidika. 8 (5): 7. doi:10.1063/1.4894784. PMC  4189589. PMID  25332741.
  6. ^ Zhang, K .; Li, Q .; Zhang, L .; Fang, J .; Li, J .; Qin, F .; Lai, Y. (2014). "Od filtračního papíru po uhlíkový papír a směrem k mezivrstvě baterie Li-S". Materiály Dopisy. 121: 198–201. doi:10.1016 / j.matlet.2014.01.151.
  7. ^ „Beyond Batteries: Storing Power in a Sheet of Paper“. Rensselaer Polytechnic Institute. 13. srpna 2007. Citováno 2008-01-15.
  8. ^ Pushparaj, Victor L .; Manikoth, Shaijumon M .; Kumar, Ashavani; Murugesan, Saravanababu; Ci, Lijie; Vajtai, Robert; Linhardt, Robert J .; Nalamasu, Omkaram; Ajayan, Pulickel M. „Flexibilní nanokompozitní tenkovrstvá zařízení pro skladování energie“ (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104, 13574-13577, 2007. Archived from originál (PDF) dne 10.06.2010. Citováno 2010-08-08.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  9. ^ Malti A .; Edberg E .; Granberg H .; Zia Ullah K .; Liu X .; Zhao D .; Zhang H .; Yao Y .; Brill J .; Engquist I .; Fahlman M .; Wagberg L .; Crispin X .; Berggren M. „Organický smíšený iontově-elektronový vodič pro výkonovou elektroniku“. Advanced Science 3, 1500305, 2016. doi:10.1002 / advs.201500305.

Reference