Chỉ cần thêm nước để kích hoạt pin giấy dùng một lần
Ảnh chụp một viên pin giấy hai ngăn in bằng giấy nến có thiết kế ghi tên cơ quan nghiên cứu của các tác giả (Empa). Pin đang chạy đồng hồ báo thức màn hình tinh thể lỏng. Ảnh: Alexandre Poulin.
Pin giấy dùng một lần được kích hoạt bằng nước được trình bày trong một nghiên cứu chứng minh nguyên tắc trên tạp chí Scientific Reports. Các tác giả gợi ý rằng nó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị điện tử dùng một lần công suất thấp — chẳng hạn như nhãn thông minh để theo dõi đối tượng, cảm biến môi trường và thiết bị chẩn đoán y tế — và giảm thiểu tác động đến môi trường của chúng.
Pin do Gustav Nyström và các đồng nghiệp phát minh ra, được làm bằng ít nhất một ô có kích thước một cm bình phương và bao gồm ba loại mực được in trên một dải giấy hình chữ nhật. Muối natri clorua được phân tán khắp dải giấy và một trong những đầu ngắn hơn của nó đã được nhúng vào sáp. Một loại mực chứa các mảnh than chì, đóng vai trò là cực dương của pin (cực âm), được in lên một trong các mặt phẳng của giấy trong khi mực có chứa bột kẽm, đóng vai trò là cực âm của pin (cực dương), được in trên mặt trái của giấy. Ngoài ra, mực có chứa các mảnh than chì và muội than được in trên cả hai mặt của giấy, trên hai loại mực còn lại. Loại mực này kết nối các đầu cực âm và dương của pin với hai dây dẫn nằm ở đầu được nhúng sáp của tờ giấy.
Khi thêm một lượng nhỏ nước vào, các muối trong giấy sẽ hòa tan và các ion tích điện được giải phóng. Các ion này kích hoạt pin bằng cách phân tán qua giấy, dẫn đến kẽm trong mực ở đầu âm của pin giải phóng các điện tử. Việc gắn các dây dẫn vào một thiết bị điện sẽ đóng mạch để các điện tử có thể được chuyển từ đầu âm — qua mực, dây và thiết bị có chứa than chì và carbon đen — đến đầu dương (mực chứa than chì) nơi chúng được chuyển đến oxy trong không khí xung quanh. Những phản ứng này tạo ra một dòng điện có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho thiết bị.
Ảnh chụp một viên pin giấy hai ngăn in bằng giấy nến có thiết kế ghi tên cơ quan nghiên cứu của các tác giả (Empa). Cả hai tế bào được ngăn cách bởi một rào cản nước. Ảnh: Alexandre Poulin.
Để chứng minh khả năng chạy các thiết bị điện tử công suất thấp của pin, các tác giả đã kết hợp hai tế bào thành một pin và sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho đồng hồ báo thức có màn hình tinh thể lỏng. Phân tích hiệu suất của pin một cell cho thấy sau khi thêm hai giọt nước vào, pin sẽ kích hoạt trong vòng 20 giây và khi không kết nối với thiết bị tiêu thụ năng lượng, nó 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 cell giảm đáng kể do giấy bị khô. Tuy nhiên, sau khi thêm hai giọt nước nữa, nó vẫn duy trì điện áp hoạt động ổn định là 0,5 vôn trong hơn một giờ nữa.
Các tác giả đề xuất rằng khả năng phân hủy sinh học của giấy và kẽm có thể cho phép pin của họ giảm thiểu tác động môi trường của các thiết bị điện tử dùng một lần, công suất thấp. Họ gợi ý rằng tính bền vững của pin có thể được tăng thêm bằng cách giảm thiểu lượng kẽm được sử dụng trong mực, điều này cũng cho phép kiểm soát chính xác lượng điện mà pin tạo ra được kiểm soát chính xác.
