Pin giấy kích hoạt bằng nước cho các thiết bị điện tử sử dụng một lần

Các nhà hóa học Thụy Sĩ phát triển pin giấy, kích hoạt bằng nước có thể được áp dụng cho nhiều loại thiết bị điện tử sử dụng một lần, dễ dàng chế tạo và không gây ô nhiễm môi trường.

Pin giấy kích hoạt bằng nước cho các thiết bị điện tử sử dụng 1 lần. Ảnh SciTechDaily

Một nghiên cứu chứng minh khái niệm được công bố trên tạp chí Scientific Reports mô tả loại pin giấy dùng một lần, được kích hoạt bằng nước. Theo các nhà khoa học, pin có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị điện tử dùng một lần công suất thấp như nhãn thông minh theo dõi các vật thể, cảm biến môi trường và thiết bị chẩn đoán y tế, giảm thiểu tác động đến môi trường do tính phân hủy cao.

Pin được phát triển bởi nhóm nghiên cứu do GS Gustav Nystrm thuộc Trường đại học nghiên cứu công lập Zurich (ETH Zurich), bao gồm ít nhất một ô có hình vuông một cm, tạo thành từ ba loại mực được in trên một mảnh giấy hình chữ nhật. Miếng giấy được bao phủ bằng muối natri clorua, một cạnh ngắn được nhúng vào sáp.

Một trong những mặt phẳng của tờ giấy được in bằng mực có chứa các mảnh than chì, là cực âm. Mặt còn lại được in bằng mực có chứa bột kẽm, đóng vai trò là cực dương .

Trên cả hai loại mực này, một loại mực có chứa vảy than chì và muội than được in trên cả hai mặt tờ giấy. Loại mực này liên kết các đầu cực dương và cực âm của pin với hai dây dẫn điện, gắn ở đầu nhúng sáp của tờ giấy. Các muối trong giấy sẽ tan ra khi thêm một giọt nhỏ nước vào.

Khi nước được cung cấp cho hệ thống, dễ dàng bị hấp thụ và khuếch tán qua giấy, hòa tan NaCl phân tán trong giấy và kích hoạt tế bào điện hóa, giải phóng các ion tích điện. Những ion này lan truyền trên giấy kích hoạt pin, khiến cho kẽm trong mực ở đầu cực âm của pin giải phóng các electron. Trong quá trình phóng điện, cực dương kẽm bị oxi hóa còn ở cực âm xảy ra phản ứng khử oxi.

Nối các dây dẫn vào thiết bị điện sẽ đóng mạch, các điện tử di chuyển từ đầu âm – qua lớp mực (than chì và carbon đen), dây, qua thiết bị đến đầu dương (mực chứa bột kẽm), chuyển thành oxy vào trong không khí xung quanh. Những phản ứng này tạo ra một dòng điện được sử dụng để cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Pin giấy kích hoạt bằng nước. Tế bào điện hóa (EC) cấu tạo bởi một màng giấy được kẹp giữa một cực dương bằng kẽm và một cực âm bằng than chì. Bộ thu dòng carbon được sử dụng để trích xuất điện tích từ tế bào EC và kết nối với mạch điện bên ngoài.

Để chứng minh khả năng chạy các thiết bị điện tử công suất thấp của pin, các tác giả kết hợp hai tế bào thành một pin và sử dụng để cung cấp năng lượng cho đồng hồ báo thức có màn hình tinh thể lỏng. Phân tích hiệu suất của một tế bào pin cho thấy, sau khi thêm hai giọt nước, pin sẽ kích hoạt trong vòng 20 giây và khi không kết nối với thiết bị tiêu thụ năng lượng, pin đạt điện áp ổn định là 1,2 volt.

Điện áp của pin kiềm AA tiêu chuẩn là 1,5 vôn. Sau một giờ, hiệu suất của pin một tế bào giảm đáng kể do giấy bị khô. Nhưng sau khi thêm hai giọt nước nữa, pin tiếp tục duy trì điện áp hoạt động ổn định là 0,5 vôn trong hơn một giờ.

Khả năng phân hủy sinh học của giấy và kẽm cho phép pin giảm thiểu tác động môi trường của những thiết bị điện tử dùng một lần, công suất thấp. Tính bền vững của pin có thể được tăng lên bằng phương pháp giảm thiểu lượng kẽm trong mực in. Phương pháp này cũng cho phép kiểm soát chính xác lượng điện mà pin tạo ra.