水凝胶纤维素纸的制备和表征(HCP)。a)原CP和HCP示意图。b)带有印刷电路图案的HCP(上)和原始阴极保护(下)的光学图像。c)机械变形下的一块HCP。HCP的扫描电镜照片。f)HCP和CP的应力-应变曲线。g)CP(左)和HCP(右)在潮湿土壤下的生物降解性试验。黄色虚线圆圈显示样品的轮廓。h)带有印花图案的干燥HCP(左)和肿胀HCP(右)的照片。同样大小为30毫米× 30毫米的蓝色虚线方块显示了HCP的边界。I)电流密度为5mA·cm-2、截止容量为1 mAh·cm-2时锌对称电池的恒电流电镀/剥离曲线。学分:DOI: 10.1002/ advs.202103894新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)的科学家们开发出了一种薄如纸的可生物降解锌电池，有朝一日，这种电池可能会成为为灵活耐用的电子系统供电的环境可持续选择。NTU新加波开发的锌电池由电极组成(电流通过电极离开手术室进入电池)，电极丝网印刷在一张用水凝胶加固的纤维素纸的两面。
一旦电池耗尽，它可以被埋在土壤中，在那里它会在一个月内完全分解。
在科学杂志《高级科学》上描述的一个概念验证实验中，NTU团队演示了一个4厘米×4厘米见方的打印纸电池如何为一个小电风扇供电至少45分钟。弯曲或扭曲电池不会中断电源。
在另一个使用4厘米×4厘米电池为发光二极管供电的实验中，科学家们表明，尽管切掉了纸电池的一部分，发光二极管仍然亮着，这表明切割不会影响电池的功能。
科学家们认为，他们的印刷电池可以集成到柔性电子产品中，例如已经上市的可折叠智能手机，或者用于健康监测的生物医学传感器。
该研究的合著者、来自物理与数学科学学院的范教授说:“传统电池有多种型号和尺寸，为你的设备选择合适的类型可能是一个麻烦的过程。通过我们的研究，我们展示了一种更简单、更便宜的制造电池的方法，即开发一个可以切割成所需形状和尺寸而不损失效率的大电池。这些特性使我们的纸型非常适合集成到正在逐步开发的各种柔性电子产品中。”
来自NTU电气与电子工程学院的助理教授Lee Seok Woo是这项研究的合著者，他说:“我们相信我们开发的纸电池可能有助于解决电子垃圾问题，因为我们的印刷纸电池无毒，不需要铝或塑料外壳来封装电池组件。避免封装层也使我们的电池能够在更小的系统中存储更高的能量，从而节省电能。”
由NTU研究团队开发的纸质锌电池符合NTU 2025愿景和大学的《可持续发展宣言》，该团队还包括研究员杨培华博士和李佳博士，他们希望开发可持续的解决方案来应对人类面临的一些紧迫的重大挑战。
制造“三明治式”电池
电池通过产生电能的电化学反应为设备供电。电池的内部工作通常装在金属或塑料外壳内。在这种情况下是阴极和阳极——这些是发生电化学反应的电极。
学分:南洋理工大学在阴极和阳极之间加了一个隔板，在允许电荷在电极之间自由流动的同时，形成一个屏障，防止电极接触，避免短路。
电池内部还有一种被称为电解质的介质，它允许电荷在阴极和阳极之间流动。
为了开发一种更薄、更轻、不需要包装的原型，NTU的科学家们为他们的电池采用了“三明治设计”——电极就像面包片，印刷电极的纤维素纸就像三明治填充物。
制造过程从用水凝胶增强纤维素纸开始，以填充纤维素中天然存在的纤维间隙。这形成了更致密的隔膜，有效地防止了电极的混合，电极被配制成“电极墨水”并丝网印刷到水凝胶增强纤维素纸的两面。
阳极油墨主要由锌和炭黑(一种导电类型的碳)组成。至于阴极墨水，科学家们开发了一种含锰的，另一种含镍的，作为概念验证，尽管研究小组表示，其他金属也可能被使用。
印刷电极后，将电池浸入电解液中。然后在电极上涂上一层薄金箔，以增加电池的导电性。最终产品的厚度约为0.4毫米——约为两股人类毛发的厚度。
一个环保的选择
由于水凝胶和纤维素会被细菌、真菌和其他微生物自然分解，电池可以在寿命结束时简单地埋在土壤中，在几周内分解，使其成为完全可生物降解的产品。
为了证明纸电池的生物降解能力，NTU的科学家们将它埋在NTU大学校园屋顶花园的土壤中。水凝胶增强纤维素纸在两周后开始破裂，并在一个月内完全降解。
范教授说:“当分解发生时，电极材料被释放到环境中。阴极中使用的镍或锰将保持其氧化物或氢氧化物形式，接近天然矿物的形式。阳极中发现的锌会自然氧化，形成无毒的氢氧化物。这表明电池有潜力成为当前电池更可持续的替代品。”
展望未来，NTU团队希望展示印刷纸电池与其他印刷电子产品、电子外壳以及部署在环境中的储能系统的完全集成。
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