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- 제조가 쉽고 생분해, 언제든지 활성화할 수 있는 일회용 종이 배터리 개발
- 용매로서 에탄올, 거의 50%의 흑연 플레이크로 만든 잉크가 종이 앞면 인쇄해 음극 역할
- 물 두 방울만 넣으면 미니 셀이 20초 이내에 활성화돼 1.2V의 안정적인 전압 생성
- "사물 인터넷"의 작은 구성 요소, 센서, RFID 태그 또는 시계의 수정 발진기에 충분

종이 배터리는 물, 소금 및 잉크로 작동한다.
생분해성 일회용 배터리는 센서, RFID 태그 등에 전원을 제공할 수 있다.

물 한 방울이면 충분하다. 미래에는 종이로 만든 새로운 유형의 일회용 배터리로 센서, 지능형 라벨 또는 소형 진단장치를 작동할 수 있다. 이것은 아연과 흑연 분말로 만든 인쇄된 전극이 있는 종이로 구성되어 있으므로 환경 친화적으로 분해된다. 하이라이트는 배터리가 물에 젖었을 때만 활성화된다. 이것은 종이에 통합된 식염을 용해시켜 전해질이 된다. 

▲ 이 글자는 종이로 만든 배터리, 그 위에 인쇄된 전극 및 일반적인 소금 전해질이다. 종이가 젖는 즉시 전기가 흐른다. © empa

휴대폰, 센서 또는 기타 장치에 관계없이 오늘날 전자 제품은 점점 더 모바일화되고 있으며 이에 따라 모바일 전원 공급 장치가 필요하다. 지금까지는 리튬이온 배터리가 대부분을 차지했지만 원료가 부족하고 환경 친화적이지 않다. 따라서 과학자들은 대안을 찾고 있다. 예를 들어 소형 모바일 발전기 또는 새롭고 지속 가능한 배터리 구성 요소의 형태다. 퇴비화 가능한 축전기와 박테리아 전원 배터리도 테스트 중이다.

종이와 잉크 배터리

스위스 연방 재료 시험 및 연구소 Empa의 Alexandre Poulin이 이끄는 팀은 이제 한 단계 더 나아가고 있다. 그들은 제조가 쉽고 생분해되며 언제든지 활성화할 수 있는 일회용 종이 배터리를 개발했다. 염분이 포함된 작은 종이조각이 이 새로운 에너지 저장 장치의 기초를 형성한다. 크기가 1제곱센티미터에 불과한 이 패드에는 세 가지 다른 잉크 형태의 전자 부품이 인쇄되어 있다.

▲ 물 활성화 종이 전지의 개략도. (a) 전기화학(EC) 전지는 아연 기반 음극과 흑연 기반 공기 음극 사이에 끼워진 종이 멤브레인으로 구성된다. 탄소 기반 집전체는 EC 셀에서 전하를 추출하고 외부 회로와 접촉하는 데 사용된다. 전해질 역할을 하는 물이 시스템에 공급되어 종이 막을 투과할 때까지 장치는 비활성 상태를 유지한다. (b) 여과지에 스텐실 인쇄하여 제작한 단전지 배터리의 사진. 장치는 심지를 물이나 수용액에 담그면 활성화된다. 배터리 단자에서 필터 페이퍼에 왁스를 함침시켜 리드선의 전기화학적 반응을 방지하고 기계적 안정성을 제공한다.© Poulin et al./ Scientific Reports, CC-by 4.0 (출처: 관련논문 Water activated disposable paper battery)

셸락(Shellack: 니스의 원료 lac를 정제해 얇게 굳힌 원료), 용매로서 에탄올과 거의 50%의 흑연 플레이크로 만든 잉크가 종이 앞면에 인쇄되어 음극 역할을 한다. 건조 시 표면적이 넓은 다공성 구조를 형성한다. 거의 90%의 아연 분말이 포함된 잉크로 만들어진 양극이 종이 뒷면에 적용된다. 그런 다음 종이 스트립의 양면이 흑연 플레이크와 카본 블랙을 포함하는 세 번째 잉크로 코팅된다. 그것은 집전체의 역할을 하며 끝에 부착된 전선으로 전자를 보낸다.

물에 의해 활성화

하이라이트: 약간의 물에 종이를 적셔야만 배터리가 활성화된다. 그러면 종이에 포함된 식염이 용해되고 전해질 역할을 하는 이온이 형성된다. 음극에 있는 흑연은 공기와 반응해 산소를 환원시켜 환경에서 전자를 추출한다. 양극에서 아연은 산화되어 전자를 방출한다. 이 두 가지 산화환원 반응은 소산될 수 있는 전류를 생성한다.

첫 번째 테스트는 이 종이 배터리가 얼마나 많은 일을 할 수 있는지 보여주었다. 물 두 방울만 넣으면 미니 셀이 20초 이내에 활성화되어 1.2볼트의 안정적인 전압을 생성했다. 비교를 위해 표준 AA 알카라인 배터리의 전압은 1.5볼트이다. 종이 배터리의 출력은 0.5밀리암페어의 전류에서 150마이크로와트라고 Poulin과 그의 동료들은 결정했다. 두 개의 종이 배터리를 함께 연결함으로써 예를 들어 액정 디스플레이가 있는 알람시계를 작동하기에 충분한 전기를 생성할 수 있었다. 

▲ 이 장치는 (d) 사진과 같이 방수벽으로 분리된 두 개의 전기화학 전지로 구성되며 (e) 중첩된 등가 회로(이상적인 전압 소스). (출처: 관련논문 Water activated disposable paper battery)

에너지는 1~2시간 지속

그러나 새 미니 배터리의 내구성은 제한적이다. 종이가 마르는 즉시 종이 배터리의 성능도 크게 떨어진다. 테스트에서는 약 1시간 후에도 마찬가지였다. "건조되기 전의 작업 시간은 종이 막이 흡수할 수 있는 물의 양에 따라 달라진다"라고 과학자들은 설명했다. 따라서 더 두껍고 흡수성이 높은 종이나 습한 환경에서는 이 배터리의 수명을 더욱 연장할 수 있다.

정기적으로 물을 공급하면 작은 종이 배터리가 완전히 방전되기까지 최대 2시간 30분 동안 지속된다. 평균 전압은 약 0.5볼트다. 연구원들이 설명하는 것처럼 배터리의 수명은 양극의 아연 함량에 결정적으로 의존한다. 이 금속은 방전 중 산화에 의해 서서히 소모된다. 따라서 아연이 많을수록 배터리 수명이 길어진다.

센서, RFID 태그 및 Co용 분해 가능한 전원
과학자들에 따르면, 종이로 만들어진 이러한 간단한 일회용 배터리는 모든 응용 분야에 사용될 수 있다. 제공된 에너지는 예를 들어 "사물 인터넷"의 작은 구성 요소, 센서, RFID 태그 또는 시계의 수정 발진기에 충분하기 때문이다. 작은 의료 진단장치도 배터리로 전원을 공급할 수 있다.

종이 배터리는 습한 환경(예: 땅이나 초목)에서 제한된 시간 동안 데이터를 수집하고 전송하기 위한 환경 센서에 특히 적합하다. 작업이 완료되면 배터리가 단순히 환경에 남아 있을 수 있기 때문이다. 그들의 구성 요소는 팀이 설명하는 것처럼 생분해되고 환경 친화적이다.
(Scientific Reports, 2022; doi: 10.1038/s41598-022-15900-5)
출처: Empa – 스위스 연방 재료 시험 및 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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