工学：水を加えるだけで活性化する紙製の使い捨て電池
Scientific Reports
Engineering: Just add water to activate a disposable paper battery
水で活性化する紙製の使い捨て電池という原理が示され、その実証が行われたことを報告するGustav Nyströmたちの論文が、Scientific Reports に掲載される。Nyströmたちは、この技術が、物体追跡用スマートラベル、環境センサー、医療診断デバイスなど、さまざまな低消費電力の使い捨て電子機器に利用可能で、環境への影響を最小限に抑えることができるという考えを示している。
Nyströmたちが考案した電池には、1平方センチメートル大のセルが少なくとも1個用いられ、3種類のインクが印刷された長方形の紙片によって構成されている。この紙片全体には、塩化ナトリウム（塩）が分散しており、一方の短辺とその付近に蝋を染み込ませている。この紙片の表面には、電池の正極として作用するインク（グラファイト片を含有している）が印刷され、裏面には、電池の負極として作用するインク（亜鉛粉を含有している）が印刷されている。そして、それぞれのインク印刷の上には第3のインク（グラファイト片とカーボンブラックを含有している）が印刷されている。この第3のインクによって紙製電池の正極と負極が、蝋を染み込ませた部分に取り付けられた2本の電線とそれぞれ接続している。
この紙製電池に少量の水を加えると、紙の中の塩が溶け出して、電荷を帯びたイオンが放出される。このイオンは、紙の中で分散することによって電池を活性化し、電池の負極として作用するインクに含まれた亜鉛が、電子を放出する。2本の電線を電気デバイスに接続すると回路が閉じ、電子が、負極からグラファイト片とカーボンブラックを含有するインク、電線、デバイスを通って、正極（グラファイト片を含有しているインク）に移動し、そこで周囲の空気中の酸素に移動する。こうした反応によって電流が発生し、電気デバイスに電力が供給される。
今回、Nyströmたちは、この紙製電池について、低消費電力の電子機器を動作させる能力を実証するために、2つのセルを使って電池を作り、液晶ディスプレイ付きの目覚まし時計の電源に用いた。1セル電池で性能解析が行われ、2滴の水を加えた後、電池は20秒以内に活性化し、エネルギー消費型デバイスに接続しない場合に電圧1.2 Vで安定した（標準的な単3形アルカリ電池の電圧は1.5 V）。1時間後には、紙の乾燥が原因となって1セル電池の性能が有意に低下した。しかし、さらに2滴の水を加えると、安定した動作電圧（0.5 V）が1時間以上持続した。
Nyströmたちは、紙と亜鉛の生分解性により、低消費電力の使い捨て電子機器の環境への影響を最小限に抑えることができると提案している。また、Nyströmたちは、インクに使用される亜鉛の量を最小限に抑えることによって、この電池の持続可能性をさらに高めることができ、それによって電池が生成する電力の量を精密に制御することも可能になるという考えを示している。
A water-activated disposable paper battery is presented in a proof-of-principle study in Scientific Reports. The authors suggest that it could be used to power a wide range of low-power, single-use disposable electronics – such as smart labels for tracking objects, environmental sensors and medical diagnostic devices – and minimise their environmental impact.
The battery, devised by Gustav Nyström and colleagues, is made of at least one cell measuring one centimetre squared and consisting of three inks printed onto a rectangular strip of paper. Sodium chloride salt is dispersed throughout the strip of paper and one of its shorter ends has been dipped in wax. An ink containing graphite flakes, which acts as the positive end of the battery (cathode), is printed onto one of the flat sides of the paper while an ink containing zinc powder, which acts as the negative end of the battery (anode), is printed onto the reverse side of the paper. Additionally, an ink containing graphite flakes and carbon black is printed on both sides of the paper, on top of the other two inks. This ink connects the positive and negative ends of the battery to two wires, which are located at the wax-dipped end of the paper.
When a small amount of water is added, the salts within the paper dissolve and charged ions are released. These ions activate the battery by dispersing through the paper, resulting in zinc in the ink at the negative end of the battery releasing electrons. Attaching the wires to an electrical device closes the circuit so that electrons can be transferred from the negative end – via the graphite and carbon black-containing ink, wires and device – to the positive end (the graphite-containing ink) where they are transferred to oxygen in the surrounding air. These reactions generate an electrical current that can be used to power the device.
To demonstrate the ability of their battery to run low-power electronics, the authors combined two cells into one battery and used it to power an alarm clock with a liquid crystal display. Analysis of the performance of a one-cell battery revealed that after two drops of water were added, the battery activated within 20 seconds and, when not connected to an energy-consuming device, reached a stable voltage of 1.2 volts. The voltage of a standard AA alkaline battery is 1.5 volts. After one hour, the one-cell battery’s performance decreased significantly due to the paper drying. However, after two more drops of water were added, it maintained a stable operating voltage of 0.5 volts for more than one additional hour.
The authors propose that the biodegradability of paper and zinc could enable their battery to minimise the environmental impact of disposable, low-power electronics. They suggest that the sustainability of the battery can be further increased by minimising the amount of zinc used within the ink, which also allows the amount of electricity the battery generates to be precisely controlled.
doi: 10.1038/s41598-022-15900-5
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