不要忽视对小型低容量电池的需求

当前很多媒体关注电池，以及重要的研发工作和商业投资，专注于高容量、功率密集的可充电(二次)电池。当然，这种观点很有意义，因为它们用于电动汽车 (EV) 和其他更高功率的、通常是移动的情况。

尽管如此，在无数情况下，低功率、能量有限、不可充电(一次)电源就足够了，尤其是一次性应用。其中包括即时诊断设备、智能包装和标签，以及环境传感。

许多这些需求目前通过小型纽扣电池或纽扣电池来满足，通常使用氧化银化学物质，以及锂、碱性、锌-空气和其他化学物质。这些当然可以完成工作，但实际上对于适度的应用程序来说可能“太多了”。

此外，它们造成了严重的废物流和环境挑战，因为它们几乎总是被扔进附近的垃圾桶。回收它们，即使它们进入了这样的设施，也是昂贵且复杂的。(是的，AA、A、C 和 D 型电池也应该回收，但那是另一回事了。)

一个明显的问题是：“这些电池中有多少被使用了，有多少被扔掉了?” 我进行了广泛的在线研究，结果一无所获。我发现的几个纽扣/纽扣电池使用量的数字是美元而不是单位，这对我来说意义不大。

至于回收，有很多关于铅酸汽车电池(80% 到 90% 是共识)和用于电动汽车的更大的锂电池组(数字无处不在)的估计。此外，大多数估计(铅酸除外)都集中在回收业务的美元数据上，而不是我想知道的回收纽扣电池和纽扣电池的百分比。对于纽扣电池和纽扣电池的回收，一个可信度不明的来源将其定为 3%——我想可能是这样。

鉴于需要一次性和相对低能量/低功率的一次性电池，备受尊敬的瑞士联邦材料科学与技术实验室(称为 EMPA(Eidgenössische Materialprüfungs und Forschungsanstalt 的德语首字母缩写))的一个团队设计了一种一次性纸电池，可减少电池在此类一次性应用中对环境的影响。他们的基本电池大约为 1 cm 2，使用锌作为金属阳极，石墨作为无毒阴极材料，纸作为可生物降解的基材。

电池保持不活动状态，因此保持其全部能量容量，直到水被添加并被纸质基材吸收，利用其自然的芯吸行为。一旦激活，单个电池可提供 1.2 V 的开路电位 (OCP) 和0.5 mA时 150 µW/cm 2的峰值功率密度。

这些材料乍一看既简单又复杂。他们开发的阳极和阴极材料与增材制造技术兼容，可以用模板印刷成各种形状和尺寸。纸用作阳极和阴极之间的隔板，并注入干电解质，只需几滴水即可激活。

电池的电化学 (EC) 电池由夹在锌基阴极和石墨基空气阴极之间的纸膜组成。在添加水(电解质)并渗透膜之前，该设备保持不活动状态。在滤纸上通过模板印刷制作的单电池图片。在电池端子处，滤纸浸有蜡以避免引线发生电化学反应并提供机械稳定性。模版印刷纸电池的照片，其设计拼写着研究机构 (Empa) 的名称;还为小型 LCD 时钟供电。该装置由两个电化学电池组成，这两个电池被防水层隔开并串联连接，电池的横截面示意图及其叠加等效电路(对于理想电压源)。

电池由打印在长方形纸条上的三种墨水组成。标准盐(氯化钠)分散在整个纸条上，其较短的一端浸入蜡中。将含有石墨片的油墨印刷在纸的一个平面上，作为电池的正极(阴极)，而将含有锌粉的油墨印刷在纸的反面，作为电池的负极。电池(阳极)。

另一种含有石墨片和炭黑的墨水印在纸张的两面，在其他两种墨水之上。这种墨水构成了将电池的正极和负极连接到两条电线的集电器，这两条电线位于纸的浸蜡端。集电器的作用是将阴极和阳极连接到外部电路。所有油墨都经过专门开发和测试，以确保它们具有剪切稀化凝胶特性，这些特性与模板印刷和基于挤出的 3D 打印等增材制造技术兼容。

当加入少量水时，纸中的盐会溶解并释放带电离子，从而使电解质具有离子导电性。这些离子通过纸分散来激活电池，导致阳极墨水中的锌被氧化，从而释放电子。通过关闭外部电路，这些电子从含锌阳极——通过含石墨和炭黑的墨水、电线和设备——转移到石墨阴极，在那里它们被转移到——并因此还原——氧气来自环境空气。这些氧化还原反应(还原和氧化)因此产生可用于为外部电气设备供电的电流。

对单节电池的性能分析表明，只要加入两滴水，电池就会在 20 秒内激活。一小时后，随着纸变干，单芯电池的性能显着下降。然而，在研究人员仅额外添加两滴水后，电池便可在 0.5 伏特的稳定工作电压下维持一个多小时。作为演示，该团队将两个电池组合成一个电池以提高工作电压，并用它为 LCD 闹钟供电。

您认为这些低容量、一次性且易于处理的电池有什么用吗?或者它们只是一个聪明的想法但在现实世界中的应用有限?