Ученые из Сингапура предложили для создания гибких аккумуляторов использовать бумагу, укрепленную гидрогелем. Они создали несколько цинк-марганцевых батарей из укрепленной бумаги и проверили, смогут ли они работать после многократного сгибания.

В статье, опубликованной в журнале Advanced Science, исследователи отмечают, что полученные аккумуляторы можно гнуть и перекручивать и это не сильно отразится на их работе. А после использования такие аккумуляторы можно закопать в землю, где они полностью разложатся за несколько недель.

Бумагу на основе целлюлозы в гибкой электронике используют давно, в том числе для создания печатных аккумуляторов. Это доступный и недорогой материал, который быстро разлагается в почве, в отличие от многих пластиков и полимеров, часто используемых в гибкой электронике. Однако у нее есть свои недостатки, например, из-за рыхлой структуры и шероховатой поверхности печатать электродными красками на обеих сторонах листа сложно, потому что это может вызвать короткое замыкание аккумулятора. А устойчивость бумаги к скручиваниям и изгибам оставляет желать лучшего.

1. Схема процесса печати. b) Иллюстрация структуры аккумулятора. d) Изображение поперечного сечения батареи, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа e) Изображения, полученные при помощи энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Hong Jin Fan et al./Advanced Science, 2021

Группа ученых из Сингапура под руководством профессора Наньянского технологического университета Хон Цзинфана (Hong Jin Fan) предложила для печати аккумуляторов использовать целлюлозную бумагу, укрепленную гидрогелем. Для изготовления такой бумаги ученые взяли целлюлозную фильтровальную бумагу, предварительно погрузив ее в раствор акриламида и нагрели в инертной атмосфере. Гидрогель полиакриламида заполимеризовался между волокнами и полностью заполнил бумагу, что значительно усилило механические свойства полученной бумаги. Ее предел прочности 75 мегапаскалей — это в девять раз больше, чем у обычной фильтровальной бумаги.

Далее с помощью трафаретной печати исследователи нанесли электроды батареи на переднюю и заднюю части листа, использовав электродные краски на основе марганца и цинка. Но как отмечают ученые, для электродов можно использовать и другие металлы. Гидрогель, заполняющий бумагу, служил разделителем и не позволял анодным и катодным краскам смешиваться, таким образом, предотвращая короткое замыкание. После завершения процесса печати электродов всю батарею погрузили в раствор электролита, после чего на оба электрода нанесли тонкий слой золота для увеличения проводимости.

c) График зависимости напряжения батареи от циклов сгибания. На фото показана батарея во время испытания. d) График зависимости приведенной емкости от напряжения для образца без воздействия (красный) и после 1000 циклов изгиба (синий) при зарядке и разрядке. e) Испытания батареи 4 на 4 сантиметра. Hong Jin Fan et al./Advanced Science, 2021

Готовый аккумулятор имеет толщину примерно 0,4 миллиметра, а ширина и длина могут варьироваться в пределах нескольких сантиметров. Для проведения испытаний на прочность и механическую деформацию ученые сделали батареи размером 1 на 4 сантиметра и 4 на 4 сантиметра. Первая прошла цикл испытаний с различными условиями изгиба. После 1000 циклов изгиба ее производительность снизилась всего на пять процентов. Вторую батарею исследователи подключили к небольшому вентилятору, который она питала в течение 45 минут. Сгибания и скручивания батареи почти не повлияли на ее работу.

Плюсом цинк-марганцевых батарей из укрепленной бумаги является то, что гидрогелевая бумага обладает высокой биоразлагаемостью. Чтобы это подтвердить ученые закопали в саду университетского кампуса листы обычной фильтровальной бумаги и гидрогелевой бумаги. Оказалось, что бумага укрепленная гидрогелем полностью разлагается за четыре недели, в то время как обычной требуется шесть недель.

Гигроскопичность гидрогеля способствует росту и размножению микроорганизмов, которые помогают разлагаться такой бумаге быстрее. Марганец, используемый для катода, останется в оксидной или гидроксидной формах, которые близки к форме природных минералов, а цинк на аноде будет окисляться естественным путем с образованием нетоксичного гидроксида.