在未来几年中，数据传输微型设备的数量将急剧增加，例如运用在包装和运输物流业中。这些设备都需要能量，但数量庞大的电池将对环境产生重大影响。

来自EMPA（ETH分部）的研究人员已经开发出一种可降解的微型电容器来解决这个问题。它由碳、纤维素、甘油和食盐组成，性能非常可靠。

制备这种电池的设备看起来并不起眼：它是一台经过改装的商用3D打印机，位于Empa实验室大楼的一个房间里。但真正的创新来源于用这台打印机在基底表面进行涂布的墨水的配方。该墨水混合物包括纤维素纳米纤维和纤维素纳米晶体，加上以炭黑、石墨和活性炭形式存在的碳。为了将这些物质液化，研究人员使用了甘油、水和两种不同类型的酒精，外加一撮盐来提高离子导电性。

要用这些原料制造出一个能正常工作的超级电容器，需要四层材料，它们都要逐步通过3D打印机打印出来：柔性衬底、导电层、电极和电解液。然后整个东西就像三明治一样折叠起来，电解质在中间。

然后就出现的一个生态奇迹。实验室的迷你电容器可以储存数小时的电力，已经可以为一个小型数字时钟供电。即使在零度以下，它还可以经受数千次充放电循环以及储存多年，同事，它抵抗压力和冲击力的性能非常好。

可生物降解的电源

最好的是，当你不再需要它时，你可以把它扔进堆肥中，或者干脆把它留在自然界中。两个月后，电容器就会分解，只留下一些可见的碳颗粒。研究人员也已经对此进行了实验。

Empa纤维素与木材材料实验室的Xavier Aeby表示：“这听起来很简单，但事实并非如此。”它需要一系列的测试，直到所有的参数都正确，直到所有打印的组件和最终的电容器器件工作都非常可靠。Aeby说：“作为研究人员，我们不想瞎折腾，我们也想了解我们的材料内部发生了什么。”

Aeby与他的导师Gustav Nyström一起开发并实现了这一可生物降解的电力存储设备的概念。Aeby在EPFL学习微系统工程，并来到Empa攻读博士学位。

Nyström和他的团队研究基于纳米纤维素的功能凝胶已经有一段时间了。这种材料不仅环保、可再生，它内部的化学成分使它具有非常多的用途。

“长期以来，我一直从事着可生物降解的电力存储系统的研究，”Nyström说：“我们的项目 – 打印纸电池 – 已经向Empa申请了内部资金，并能够利用这笔资金开展我们的工作。目前，我们实现了第一个目标。”

在物联网领域中的应用

Nyström和Aeby预计，这种超级电容器可能很快就会成为物联网领域的关键组件。“例如，在未来，这种电容器可以利用电磁场短暂充电，然后它们就可以为传感器或微发射器提供数小时的电力。”再比如，这种超级电容器可以用于在物流运输期间检查单个包裹的内容。为环境监测或农业领域的传感器供电也是可行的——无需再次收集这些电池，因为它们可能被留在自然界中降解。

由于目前正在蓬勃发展的近病人式实验室诊断（“护理点检测”）的广泛应用，微型电子设备的数量也将增加。其中包括用于床边的小型测试设备或用于糖尿病患者的自我测试设备。“一次性纤维素电容器也可以很好地适用于这些应用，”Gustav Nyström说。
 

本新闻稿由EMPA提供
参考文献：

Xavier Aeby, et al., Fully 3D Printed and Disposable Paper Supercapacitors, Advanced Materials (2021).

DOI: 10.1002/adma.202101328

本新闻稿取材Advanced Science News官方网站，原文链接：

https://www.advancedsciencenews.com/the-biodegradable-battery/