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不要忽視對小型低容量電池的需求
來源: | 作者:zhongshide | 發布時間: 2023-02-17 | 403 次瀏覽 | 分享到:

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  盡管如此,在無數情況下,低功率、能量有限、不可充電(一次)電源就足夠了,尤其是一次性應用。其中包括即時診斷設備、智能包裝和標簽,以及環境傳感。

  許多這些需求目前通過小型紐扣電池或紐扣電池來滿足,通常使用氧化銀化學物質,以及鋰、堿性、鋅-空氣和其他化學物質。這些當然可以完成工作,但實際上對于適度的應用程序來說可能“太多了”。

  此外,它們造成了嚴重的廢物流和環境挑戰,因為它們幾乎總是被扔進附近的垃圾桶?;厥账鼈?,即使它們進入了這樣的設施,也是昂貴且復雜的。(是的,AA、A、C 和 D 型電池也應該回收,但那是另一回事了。)

  一個明顯的問題是:“這些電池中有多少被使用了,有多少被扔掉了?” 我進行了廣泛的在線研究,結果一無所獲。我發現的幾個紐扣/紐扣電池使用量的數字是美元而不是單位,這對我來說意義不大。

  至于回收,有很多關于鉛酸汽車電池(80% 到 90% 是共識)和用于電動汽車的更大的鋰電池組(數字無處不在)的估計。此外,大多數估計(鉛酸除外)都集中在回收業務的美元數據上,而不是我想知道的回收紐扣電池和紐扣電池的百分比。對于紐扣電池和紐扣電池的回收,一個可信度不明的來源將其定為 3%——我想可能是這樣。

  鑒于需要一次性和相對低能量/低功率的一次性電池,備受尊敬的瑞士聯邦材料科學與技術實驗室(稱為 EMPA(Eidgen?ssische Materialprüfungs und Forschungsanstalt 的德語首字母縮寫))的一個團隊設計了一種一次性紙電池,可減少電池在此類一次性應用中對環境的影響。他們的基本電池大約為 1 cm 2,使用鋅作為金屬陽極,石墨作為無毒陰極材料,紙作為可生物降解的基材。

  電池保持不活動狀態,因此保持其全部能量容量,直到水被添加并被紙質基材吸收,利用其自然的芯吸行為。一旦激活,單個電池可提供 1.2 V 的開路電位 (OCP) 和0.5 mA時 150 μW/cm 2的峰值功率密度。

  這些材料乍一看既簡單又復雜。他們開發的陽極和陰極材料與增材制造技術兼容,可以用模板印刷成各種形狀和尺寸。紙用作陽極和陰極之間的隔板,并注入干電解質,只需幾滴水即可激活。

  電池的電化學 (EC) 電池由夾在鋅基陰極和石墨基空氣陰極之間的紙膜組成。在添加水(電解質)并滲透膜之前,該設備保持不活動狀態。在濾紙上通過模板印刷制作的單電池圖片。在電池端子處,濾紙浸有蠟以避免引線發生電化學反應并提供機械穩定性。模版印刷紙電池的照片,其設計拼寫著研究機構 (Empa) 的名稱;還為小型 LCD 時鐘供電。該裝置由兩個電化學電池組成,這兩個電池被防水層隔開并串聯連接,電池的橫截面示意圖及其疊加等效電路(對于理想電壓源)。

  電池由打印在長方形紙條上的三種墨水組成。標準鹽(氯化鈉)分散在整個紙條上,其較短的一端浸入蠟中。將含有石墨片的油墨印刷在紙的一個平面上,作為電池的正極(陰極),而將含有鋅粉的油墨印刷在紙的反面,作為電池的負極。電池(陽極)。

  另一種含有石墨片和炭黑的墨水印在紙張的兩面,在其他兩種墨水之上。這種墨水構成了將電池的正極和負極連接到兩條電線的集電器,這兩條電線位于紙的浸蠟端。集電器的作用是將陰極和陽極連接到外部電路。所有油墨都經過專門開發和測試,以確保它們具有剪切稀化凝膠特性,這些特性與模板印刷和基于擠出的 3D 打印等增材制造技術兼容。

  當加入少量水時,紙中的鹽會溶解并釋放帶電離子,從而使電解質具有離子導電性。這些離子通過紙分散來激活電池,導致陽極墨水中的鋅被氧化,從而釋放電子。通過關閉外部電路,這些電子從含鋅陽極——通過含石墨和炭黑的墨水、電線和設備——轉移到石墨陰極,在那里它們被轉移到——并因此還原——氧氣來自環境空氣。這些氧化還原反應(還原和氧化)因此產生可用于為外部電氣設備供電的電流。

  對單節電池的性能分析表明,只要加入兩滴水,電池就會在 20 秒內激活。一小時后,隨著紙變干,單芯電池的性能顯著下降。然而,在研究人員僅額外添加兩滴水后,電池便可在 0.5 伏特的穩定工作電壓下維持一個多小時。作為演示,該團隊將兩個電池組合成一個電池以提高工作電壓,并用它為 LCD 鬧鐘供電。

  您認為這些低容量、一次性且易于處理的電池有什么用嗎?或者它們只是一個聰明的想法但在現實世界中的應用有限?


來源:網絡

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