Конструкция и работа бумажных батарей

Бумажная батареяБумажная батарея — это устройство, которое может работать как конденсатор и как батарея. Это гибкое, легкое устройство, состоящее из углеродных нанотрубок, нанесенных на бумагу (целлюлоза). Такое устройство, в основном, создается путем смешивания целлюлозы с углеродными нанотрубками, состоящими из ионной жидкости в качестве электролита.

Конструкция бумажной батареи

На самом деле, есть много конструкций батареи из бумаги.

Первый и самый важный метод создания бумажных батарей был предложен Робертом Линхардтом, химиком из Политехнического института Ренсселера в Трое, Нью-Йорк. Целлюлоза (бумага) была нанесена на проводящие углеродные нанотрубки. такая конструкция оказалась очень прочной, однако возникала проблема, материалы разваливались при изгибе. Решение было найдено ученым-материаловедом из Стэнфордского университета, Пало-Альто (Калифорния).

Он и его команда исследователей создали чернила из углеродных нанотрубок, суспендировав их в воде и органическом поверхностно-активном веществе. Эти чернила были равномерно распределены по листу бумаги. По мере того как окрашенная бумага нагревается в печи для удаления воды, нанотрубки плотно соединяются с бумажными волокнами, и образуется лист бумаги с высокой проводимостью.

Ниже приведены четыре способа создания бумажных батарей:

1. Первый способ включает изготовление катода и анода на основе цинка и диоксида марганца. Батареи печатаются на бумаге с помощью стандартной печатной машины для шелкографии.

Эта бумага наполнена углеродными нанотрубками, которые используются в качестве электрода. Эту бумагу окунают в раствор ионной жидкости, которая действует как электролит.

2. Второй способ изготовления немного сложнее, нанотрубоки размещаются на кремниевой подложке. Затем промежутки в матрице заполняются целлюлозой, и после того, как матрица высыхает, комбинация целлюлозы и нанотрубок отслаивается. Таким образом создаются листы бумаги, состоящие из нескольких слоев углеродных нанотрубок. Два таких листа объединяются вместе, образуя суперконденсатор, в котором ионная жидкость, используется в качестве электролита.

3. Третий способ является простым и может быть собран в обычной лаборатории. Он включает нанесение специальных чернил из углеродных нанотрубок на прямоугольный лист бумаги, покрытый ионным раствором. Затем другую сторону бумаги ламинируют тонкую пленку лития. Потом соединяются алюминиевые стержни для передачи тока между двумя электродами.

Структура бумажной батареи

4. Четвертый способ включает в себя покрытие подложки из нержавеющей стали углеродными нанотрубками. Подложка с покрытием сушится при 80 градусах Цельсия в течение пяти минут, после чего материал снимается. Для каждой бумажной батареи используется пара пленок, каждая пленка приклеивается к разным электролитам, таким как LTO и LCO. Затем с помощью клея между двумя пленками зажимают бумагу.

Процесс изготовления бумажных батарей
Процесс изготовления бумажных батарей

Работа бумажной батареи

Работа бумажных батарей аналогична работе обычных батарей, при этом каждая батарея генерирует около 1,5 В.

Если вы помните, традиционные батареи работают таким образом, что положительно заряженные частицы, называемые ионами, и отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, перемещаются между положительными электродами, называемыми анодом, и отрицательными электродами, называемыми катодом. Ток течет, когда электроны текут от анода к катоду через проводник, поскольку электролит является изолятором и не обеспечивает свободный путь для электронов.

Работа бумажных батарей

Точно так же в некоторых бумажных батареях углеродные нанотрубки действуют как катод, металл — анод, а бумага — сепаратор.

Химическая реакция между металлом и электролитом приводит к образованию ионов, тогда как химическая реакция между углеродом и электролитом приводит к образованию электронов. Эти электроны текут от катода к аноду через внешнюю цепь.

Шесть преимуществ бумажных батарей:

  1. У бумажных батарей долгий срок службы.
  2. Они нетоксичны, так как не выделяют вредных химических веществ.
  3. Они гибкие, их можно складывать или разрезать без какого-либо влияния на их эффективность. Это связано с тем, что они состоят из таких материалов, как целлюлоза и углеродные нанотрубки, которые обладают высокой прочностью на разрыв.
  4. Они одноразовые, поскольку состоят из целлюлозы, которая биоразлагаема и нетоксична.
  5. Их можно использовать в суровых климатических условиях, таких как жара и холод. Это связано с тем, что электролит не содержит воды, что заставляет батарею работать в диапазоне от -73 до 149 градусов Цельсия.
  6. В них используются углеродные нанотрубки, которые являются одними из наиболее эффективных проводников электричества.

Где используются бумажные батареи?

Бумажная батарея действительно может оказаться полезной для устройств, где мобильность и размер являются основными требованиями. Современное электронное устройство, такое как смарт часы, облегчает потребность в тонких батареях, которые являются долговечными и нетоксичными.

Мини-компьютеры. Одним из последних примеров носимых компьютеров в реальном времени является Google Glass. На самом деле это обычные очки с оптическим дисплеем, закрепленным на голове, а Glass — это компьютер в форме пары очков, включающий оптический дисплей, закрепленный на голове.

Google Glass

Бумажные батареи также можно использовать для устройств с низким энергопотреблением, таких как калькуляторы, наручные часы и устройства беспроводной связи, такие как мышь, наушники Bluetooth, клавиатуры и т.д.

Недостатки бумажных батарей?

  • Эти батареи имеют низкую прочность и легко рвутся.
  • Недешевая себестоимость.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий