Что такое бумажная батарея? Это простое, гибкое и легкое электронное устройство, выполняющее функции как конденсатора, так и аккумулятора.
Как сконструирована бумажная батарея?
Как правило, в процессе ее изготовления задействованы три метода.
Первый метод включает электролиз диоксида цинка и марганца. Батареи печатаются на бумаге на печатном станке. Бумага смешивается с углеродными нанотрубками, которые используются в качестве электродов и затем погружается в раствор ионной жидкости, которая действует как электролит.
Второй способ несколько сложен, так как предполагает создание нанотрубок на кремниевом основании. Зазоры в матрице заполняются целлюлозой, и как только матрица высыхает, происходит отслаивание целлюлозы и нанотрубок. Так создаются листы бумаги, состоящие из углеродных нанотрубок. Затем два таких листа объединяются вместе, образуя мегаконденсатор с электролитом, который является ионным по своей природе – точно так же, как человеческая кровь, моча или пот.
Третий способ достаточно прост и может быть выполнен в обычной лаборатории. Он представляет собой прямоугольный лист бумаги, пропитанный ионным раствором. Затем на этот лист наносится специально созданные чернила из углеродных нанотрубок. На другой стороне бумаги закрепляется тонкий слой лития. Наконец, алюминиевые стержни соединяются для передачи тока между двумя электродами.
Как работает бумажная батарея?
Работа как бумажных, так и обычных батарей весьма схожа, поскольку обе они вырабатывают почти 1,5 Вольт. В обычных батареях находятся положительно заряженные частицы, называемые катионами, и отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Они перемещаются между положительно заряженным электродом, называемым катодом, и отрицательно заряженным электродом – анодом. Ток генерируется по мере перемещения электронов от анода к катоду внутри проводника. Электролит здесь действует как изолятор, так как он не обеспечивает свободного движения для электронов.
В бумажных батареях углеродные нанотрубки действуют как катод, металл – как анод, а бумага – как сепаратор. Химическая реакция между металлом и электролитом приводит к образованию ионов. С другой стороны, реакция между углеродом и электролитом приводит к образованию электронов. Эти электроны проходят от катода к аноду через внешнюю цепь.
Чем бумажные батареи лучше обычных?
- Бумажные батареи имеют длительный срок службы по сравнению с традиционными аналогами. Обычные батареи разряжаются и нуждаются в частой замене.
- Они нетоксичны, так как не вызывают никаких вредных химических реакций. Обычные батареи являются токсичными, и даже после утилизации излучают вредные свойства.
- Бумажные батареи гибкие и могут легко складываться или разрезаться. Это связано с тем , что они изготовлены из таких материалов, как целлюлоза и углеродные нанотрубки, которые имеют высокую прочность на растяжение. Обычные батареи совсем не гибкие, и если их попытаться, например, разрезать, то это отрицательно скажется на их эффективности и может привести к их полному повреждению. К тому же это очень опасно для здоровья и жизни.
- Одним из важных моментов здесь является то, что они одноразовые, поскольку состоят из целлюлозы, которая поддается биологическому разложению и нетоксична. Обычные батареи представляют собой ряд угроз при утилизации, поскольку являются высокотоксичными.
- Они могут использоваться в экстремальных погодных условиях, таких как жара и холод. Это связано с тем, что электролит не содержит воды, и позволяет работать бумажной батарее в диапазоне от -73 до 143 градусов Цельсия.
- Углеродные нанотрубки, которые выступают в качестве катода в бумажных батареях, являются одними из самых высокоэффективных проводников электроэнергии.
Где можно использовать бумажные батареи?
Бумажные батареи могут быть полезными там, где размер и мобильность являются главными проблемами. Многие современные гаджеты, такие как смарт-браслеты, цифровые часы, смарт-очки и т.д., нуждаются в бумажных батареях из-за своего небольшого размера.
Бумажные батареи также могут использоваться для устройств с низким энергопотреблением, таких как калькуляторы, наручные часы и т.д. Это еще не конец, бумажные батареи могут найти свое применение в беспроводных устройствах связи – компьютерная мышь, Bluetooth наушники, клавиатуры и т.д.
Недостатки бумажных батареи
- Они имеют низкую прочность, потому что их основой является целлюлоза. Таким образом, их можно легко разорвать.
- Их производство довольно дорогое.
Бумажные батареи весьма эффективны и находят множество применений и намного лучше, чем их обычные аналоги.
