紙電池

紙電池は、主にセルロース（紙の主成分）でできたスペーサーを使用するように設計されています。導電性を向上させるために、高表面積電極として機能するナノスケールの構造が組み込まれています。^[1]

紙電池は、非常に薄いだけでなく、柔軟性があり環境に優しいため、^[2]幅広い製品に組み込むことができます。その機能は従来の化学電池と似ていますが、重要な違いは、腐食せず、大規模なハウジングが必要ないことです。

これらの電池の構成は、従来の電池とは一線を画しています。紙は豊富にあり、自立的であるため、紙を安価に購入できます。紙は可燃性で生分解性もあるため、廃棄コストも安価です。紙を使用すると、電池の柔軟性が大幅に向上します。電池は、固定ケースを必要とせず、曲げたり、物体に巻き付けたりすることができます。また、薄くて平らなシートであるため、紙製電池は狭い場所にも簡単に収まり、電力を供給するデバイスのサイズと重量を削減できます。紙を使用すると電子の流れが増加するため、高性能アプリケーションに適しています。紙は毛細管現象を可能にするため、外部ポンプを使用せずに、電解質などの電池内の液体を移動させることができます。電池に紙を使用すると、試薬を統合するために使用できる表面積が増加します。紙製電池に使用される紙は、性能特性を向上させるために補充することができます。フォトリソグラフィー、ワックス印刷、レーザーマイクロマシニングなどのパターン形成技術は、紙の上に疎水性と親水性の部分を作り、電池に使用される液体の毛細管現象を誘導する経路を作るのに使われます。同様の技術は紙の上に電気経路を作って紙の電気機器を作るのにも使え、紙のエネルギー貯蔵を統合することもできます。^[3]

その他の利点は次のとおりです。

1. バッテリーとコンデンサの両方として使用されます。
2. 柔軟性があります。
3. 超薄型のエネルギー貯蔵装置です。
4. 長持ちする。
5. 無毒です。
6. 安定した電力生産。
7. 生分解性
8. 漏れや過熱なし

紙製電池の利点は非常に印象的ですが、カーボンナノチューブやパターン形成など、その優れた構成要素の多くは複雑で高価です。 ^[3]

1. 破れやすい。

2. 炭素から作られたナノチューブは、電気分解やレーザーアブレーションなどの手順を使用するため高価です。

3. 肺にダメージを与える可能性があるため、吸入しないでください。

このセルロースベースのスペーサーは、多くの電解質と互換性があります。研究者は、バッテリーの電解質として、本質的に液体塩であるイオン液体と、人間の汗、血液、尿などの天然の電解質を使用しました。水を含まないイオン液体を使用すると、バッテリーが凍結または蒸発することがないため、極端な温度でも動作する可能性があります。^[要出典]このようなバッテリーの動作条件（温度、湿度、静圧など）は、電解質の物理的および化学的特性、およびセルロースメッシュの耐久性に依存します。どちらも潜在的な制限要因です。

紙のような性質を持つバッテリーと、内部に埋め込まれたナノチューブの構造を組み合わせることで、軽量かつ低コストを実現し、携帯用電子機器、航空機、自動車、玩具（模型飛行機など）への応用が期待されています。

バッテリーにはナノチューブが採用されており、コストが高すぎるため商業的導入が遅れる可能性があります。商業的導入にはより大きなデバイスも必要です。例えば、新聞紙サイズのデバイスでも車を動かすのに十分なパワーを発揮する可能性があります。^[4]

紙は、電気化学電池、バイオ燃料電池、リチウムイオン電池、スーパーキャパシタ、ナノジェネレータなど、さまざまな形態の電池に組み込むことができます。

電気化学電池は、紙の使用を組み込むように変更することができます。電気化学電池は通常、2 つの金属を使用し、2 つのチャンバーに分離され、2 つの金属間で電子の交換を可能にするブリッジまたは膜で接続され、それによってエネルギーが生成されます。紙は、電極を紙に堆積させ、紙を使用して電池を活性化する液体を封じ込めることで、電気化学電池に組み込むことができます。パターン化された紙も電気化学電池に使用できます。これは、電池を紙製電子機器とより互換性のあるものにするために行われます。これらの電池は、低電圧を生成し、短時間しか動作しない傾向がありますが、直列に接続して出力と容量を増やすことができます。このタイプの紙製電池は体液で活性化できるため、使い捨て医療機器や特定の病気の検査などの医療分野で非常に役立ちます。^[3]このタイプの電池は、医療業界のポイントオブケア機器 に電力を供給するために、寿命が長く開発されています。この装置はマグネシウム箔の陽極と銀の陰極を使って作られた紙電池を使用しており、腎臓がん、肝臓がん、骨芽細胞がんなどの患者の病気を検出するために使用されています。紙はワックス印刷で模様が付けられており、簡単に処分できます。さらに、この電池は低コストで開発され、他の実用的な用途もあります。^[5]

紙は、通常の市販紙、または単層カーボンナノチューブで強化された紙として、リチウムイオン電池に使用できます。強化紙は電極およびセパレーターとして使用され、優れたサイクル性、優れた効率、優れた可逆性などの優れた性能を備えた頑丈で柔軟な電池になります。紙をセパレーターとして使用すると、プラスチックを使用するよりも効果的です。ただし、紙を強化するプロセスは、使用する材料によっては複雑でコストがかかる場合があります。カーボンナノチューブと銀ナノワイヤのフィルムを使用して通常の紙をコーティングすると、よりシンプルで安価なセパレーターと電池サポートを作成できます。導電性紙は、従来使用されていた金属化学物質の代わりに使用することもできます。結果として得られる電池は、製造プロセスを簡素化し、コストを削減しながら、優れた性能を発揮します。リチウムイオン紙電池は、柔軟で耐久性があり、再充電可能で、電気化学電池よりもはるかに多くの電力を生成します。これらの利点にもかかわらず、いくつかの欠点がまだあります。紙をリチウムイオン電池に統合するには、電池が期待どおりに機能するために複雑な層化および絶縁技術が必要です。これらの複雑な技術が使用される理由の 1 つは、使用する紙を強化して簡単に破れないようにするためです。これは、バッテリー全体の強度と柔軟性に貢献します。これらの技術には、時間、トレーニング、高価な材料が必要です。さらに、必要な個々の材料は環境に優しくなく、特定の廃棄手順が必要です。紙製のリチウムイオン電池は、長期間にわたって大量のエネルギーを必要とする用途に最適です。^[3] 紙製のリチウムイオン電池は、カーボンナノチューブとセルロースベースの膜で構成でき、優れた結果が得られますが、高価です。他の研究者は、熱分解ろ紙から製造されたカーボンペーパーを使用して成功しています。この紙は、電極とカソードの間に挿入されます。Li-S バッテリーの中間層としてカーボンペーパーを使用すると、バッテリーの効率と容量が向上します。カーボンペーパーは、カソードと電極の接触面積を増やし、電子の流れを大きくします。紙の細孔により、電子は簡単に移動でき、アノードとカソードが互いに接触するのを防ぎます。これにより、出力、バッテリー容量、サイクル安定性が向上します。これらは従来のリチウム硫黄電池の改良版である。カーボン紙は熱分解ろ紙から作られており、安価に製造でき、電池として使用される多層カーボンナノチューブ紙と同様の性能を発揮する。^[6]

バイオ燃料電池は電気化学電池と同様に機能しますが、金属の代わりに砂糖、エタノール、ピルビン酸、乳酸などの成分を使用して酸化還元反応を促進し、電気エネルギーを生成します。強化紙は、バイオ燃料電池の正極と負極を封じ込めて分離するために使用されます。この紙製バイオ燃料電池は、多孔質紙が正極バイオ燃料を吸収し、正極バイオ燃料へのバクテリアの付着を促進することができるため、従来のバイオ燃料電池よりもはるかに早く起動します。このバッテリーは、さまざまな液体で活性化された後、かなりの量の電力を生成し、その後廃棄することができます。一部のコンポーネントは有毒で高価なため、開発が必要です。^[3]

天然の電解質は、生体適合性電池を生体内または生体表面で使用できるようにする可能性がある。研究者は紙電池を「体内に電池に含まれるような有害な化学物質を一切使用せずに、ペースメーカーなどの小型機器に電力を供給する方法」と表現した。^[7]

血液中の電解質を利用できるため、ペースメーカー、医療診断機器、薬物送達経皮パッチなどの医療機器に潜在的に役立つ。ドイツのヘルスケア企業 KSW Microtech は、血液供給温度のモニタリングにこの材料を使用している。^[要出典]

紙製バッテリー技術はスーパーキャパシタに使用できます。^{[8] [9]}スーパーキャパシタは電気化学バッテリーと同様に動作し、製造されますが、一般的に性能が高く、再充電が可能です。紙、または強化紙を使用すると、軽量で安価な薄くて柔軟なスーパーキャパシタを開発できます。カーボンナノチューブで強化された紙は、強度が増し、2つの金属間で電子の移動が容易になるため、一般に通常の紙よりも好まれます。電解質と電極が紙に埋め込まれているため、今日製造されている一部の市販のスーパーキャパシタと競合できる柔軟な紙製スーパーキャパシタが生成されます。紙製スーパーキャパシタは、高出力アプリケーションに適しています。^[3]

ナノジェネレータは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する比較的新しいデバイスです。紙は、上記と同じ理由でナノジェネレータのコンポーネントとして望ましいものです。このようなデバイスは、体の動きなどの動きを捉え、そのエネルギーを電気エネルギーに変換して、たとえばLEDライトに電力を供給することができます。^[3]

• 電池の種類一覧

• 印刷可能なバッテリーがプレス機から出荷される 2006 年 5 月 22 日取得。