При добавлении небольшого количества воды соли, содержащиеся в бумаге, растворяются и высвобождаются заряженные ионы, что делает электролит ионопроводящим. Эти ионы активируют батарею, рассеиваясь по бумаге, в результате чего цинк в чернилах на аноде окисляется, высвобождая электроны. Замыкая (внешнюю) цепь, эти электроны могут затем переноситься с цинксодержащего анода - через чернила, содержащие графит и сажу, провода и устройство - на графитовый катод, где они переносятся на кислород из окружающего воздуха и, следовательно, восстанавливаются. Таким образом, эти окислительно-восстановительные реакции (восстановление и окисление) генерируют электрический ток, который может быть использован для питания внешнего электрического устройства.

Подтверждение концепции: устойчивый источник энергии для маломощной электроники

Чтобы продемонстрировать способность своей батареи работать с маломощной электроникой, команда Нюстрема объединила два элемента в одну батарею для увеличения рабочего напряжения и использовала ее для питания будильника с жидкокристаллическим дисплеем. Анализ производительности одноэлементной батареи показал, что после добавления двух капель воды батарея активировалась в течение 20 секунд и, когда она не была подключена к энергопотребляющему устройству, достигла стабильного напряжения 1,2 вольта. Напряжение стандартной щелочной батареи типа АА составляет 1,5 вольта.

Через один час производительность одноэлементной батареи значительно снизилась из-за высыхания бумаги. Однако после того, как исследователи добавили две дополнительные капли воды, батарея поддерживала стабильное рабочее напряжение в 0,5 вольта в течение более чем одного дополнительного часа.

Исследователи предполагают, что способность бумаги и цинка к биологическому разложению может позволить их батарее свести к минимуму воздействие одноразовой маломощной электроники на окружающую среду. "Особенность нашей новой батареи в том, что, в отличие от многих металлических воздушных батарей, использующих металлическую фольгу, которая постепенно расходуется по мере разряда батареи, наша конструкция позволяет добавлять в чернила только то количество цинка, которое действительно необходимо для конкретного применения", - говорит Нистрем. Металлическую фольгу было сложнее контролировать, и она не всегда расходовалась полностью, что приводило к пустой трате материалов. Таким образом, чем больше цинка содержится в чернилах, тем дольше способна работать батарея.

Нюстрем добавляет, что более важным моментом в нынешней конструкции батареи с активацией водой является время, необходимое для высыхания батареи. "Но я уверен, что это может быть спроектировано по-другому, чтобы обойти эту проблему". Однако для приложений с датчиком окружающей среды при определенной влажности или во влажной среде сушка бумаги не будет проблемой.

Две взаимодополняющие технологии

Ранее команда Нистрема уже разработала разлагаемый суперконденсатор на бумажной основе, который можно заряжать и разряжать тысячи раз без потери эффективности. По сравнению с батареями того же веса, суперконденсаторы имеют плотность энергии примерно в 10 раз ниже - и в то же время плотность мощности примерно в десять-сто раз больше. Таким образом, суперконденсаторы можно заряжать и разряжать гораздо быстрее. Они также могут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки. "Таким образом, эти два устройства на самом деле дополняют друг друга", - говорит Нюстрем. Идея новой батареи, активируемой водой, заключалась в том, чтобы иметь возможность производить устройства, которые полностью заряжены и которые выделяют эту энергию только после срабатывания стимула, в данном случае просто капли воды.