在過去幾十年中，由於技術更迭加快、產品壽命變短，人類過多地使用電子產品，電子垃圾已經成為全球增長速度最快的廢物流。來自聯合國大學（United Nations University）的數據顯示，2019 年全球約有 5360 萬噸的電子產品被丟棄，預計到 2030 年，這一數字將高達 7470 萬噸，如果這一趨勢無法逆轉，到 2050 年，甚至會達到 1.1 億噸之多。
圖｜兩單元紙電池正在驅動一個有 LED 的鬧鐘（來源：研究團隊）
使用更環保的材料、提高資源的回收率，是當前解決電子垃圾泛濫問題的重要方法，而生物可降解電池則是當前電池研究的熱點。
如今，來自瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）的科研團隊，在生物可降解電池方面取得了新的突破——他們在一項概念驗證研究，提出了一種可以用水激活的一次性紙電池。
據介紹，只需滴上兩滴水，這種新型電池就可以持續為一個帶有 LED 的鬧鐘供電 1 小時，1 小時后再加兩滴水，還能繼續使用，且可以被製成任意形狀和大小，潛在應用場景十分廣闊。
相關研究論文以“Water activated disposable paper battery”為題，已發表在科學期刊《科學報告》（Scientific Reports）上。瑞士聯邦材料科學與技術實驗室 Gustav Nyström 博士為論文的通訊作者。
研究團隊表示，這種紙電池可以被用於驅動各種低功率、一次性可丟棄的電子器件（比如追蹤物品的智能標籤、環境傳感器和醫學診斷設備）並將其環境影響降到最低。
紙電池，怎麼能發電？
近年來，科學家在可生物降解的光電設備、能源採集器和超級電容器等綠色電源技術方面取得了重要進展。但是，可生物降解的一次性電池作為一種互補性強、可提供更高能量密度、運行更穩定的能源，其研究還十分有限。
當前有關電池的研究主要聚焦在電池性能的提升上，即不斷向更高的能量和功率密度、更快的充電速率和更好的運行穩定性發展，主要通過開發符合目前主導市場的鋰離子電池要求的新材料來實現。
然而，隨着人們更加了解電子垃圾的危害，以及用於環境傳感和食品監測等應用的一次性電子產品的出現，市場對環保電池的需求日益增長。
市場需求的轉變，為非傳統材料和設計提供了新的機會。以鎂（Mg）、鐵（Fe）、鎢（W）和鉬（Mo）等無機材料為基礎的水性原電池（Aqueous primary batteries）成為了高能密度瞬態電池的理想候選材料，有機材料也已被證明可以成為不錯的替代品。
儘管科學家取得了一些有前景的進展，但生物可降解電池的增材製造仍然是一個重要的科學挑戰。
在過去十年中，以紙張形式存在千年的纖維素在生物醫學診斷、信息顯示和能源存儲方面得到了廣泛應用。然而，纖維素的一些獨特性質，比如其固有的生物降解性、吸濕性等，卻一直沒有得到很好的利用。
在此次研究工作中，Nyström 提出的紙電池由至少一個尺寸為 1 平方厘米的電池單元組成，包含 3 種印在長方形紙帶上的油墨，紙帶上分佈着氯化鈉鹽，較短端浸了蠟，一種油墨含有石墨薄片印製在紙的一面上，作為電池組正極（陰極），紙的反面印有含鋅粉的油墨，作為負極（陽極）。
此外，在紙的兩面，在這兩種油墨之上，都印上了含有石墨薄片和炭黑的油墨，這種油墨將電池組正負極和兩根電線連接起來，電線位於有蠟的那端。這些油墨是 3D 打印等增材製造技術的理想選擇。
那麼，這種紙電池是如何發電的呢？
據論文描述，只需加上一點水，紙上的鹽就會溶解，從而釋放出帶電離子，這些離子在紙上彌散激活電池組，讓電池組負極油墨中的鋅釋放電子，連在電子設備上的電線能接通電路，讓電子能經過含石墨和炭黑的油墨、電線和設備，從負極轉移到正極（含石墨的油墨），在那裡被轉移到周圍空氣中的氧里，電流正是在這些反應中產生的。
圖｜紙電池的設計。（來源：該論文）
為展示這種電池驅動低功率電子器件的能力，研究團隊把兩個電池單元結合成一組電池組，來驅動一個有液晶顯示器的鬧鐘。
對單單元電池組的性能分析顯示，加入兩滴水，電池組會在 20 秒內激活，當不連接在耗能設備上的時候能達到穩定的 1.2 伏，而一個標準 AA 鹼性蓄電池（5 號電池）的電壓是 1.5 伏。
一小時后，單單元電池組的性能會因為紙張乾燥而迅速下降。但是，如果再滴上兩滴水，它就能再維持一個小時以上穩定的 0.5 伏工作電壓。
圖｜通過測量恆定電流（100 μA）下的工作電壓來表徵一次性紙電池的放電能力。（來源：該論文）
研究團隊表示，紙張和鋅的生物可降解性使這種電池能夠最大程度減少可丟棄、低功率電子器件帶來的環境影響。
仍需進一步研究
如上文所述，儘管這種紙電池可以為鬧鐘供電，但與其它類型電池相比，它的功率密度還是比較有限的。
對此，研究團隊認為，這種紙電池可以被用於低功率電子產品和物聯網生態系統，通過最小化油墨中使用的鋅的量，這種電池的可持續性還可以進一步改進，從而使電池產生的電流能得到精確控制。
在未來的工作中，他們將研究如何使用綠色催化劑來提高氧還原反應速率，用有機負極材料作為鋅的替代品，以及評估電池生命周期內對環境的影響。
“我們的工作推進了一次性電子產品領域，並提出了一種平衡環境影響和性能的電池技術。” 研究團隊如是說。