日本的东北大学材料科学高等研究所（AIMR）薮浩（Hiroshi Yabu）教授、日本电力中央研究所首席研究员小野新平、东北大学的初创公司AZUL Energy以及英国初创企业AMPHICO公司等组成的研究团队，以独自研发的安全电极催化剂和纸张为基础，成功制作出了燃料电池和金属空气电池的一种——镁空气电池。它是一种几乎不使用高环境负荷的重金属和塑料，以盐水这种常见材料为触发器，可以产生1.8伏的电压和超过100mW/cm²的功率，电池容量为968.2Wh/㎏（Mg），足以驱动可穿戴器件使用的高性能“金属空气纸电池”。此外，研究人员还证实，这种电池可以作为监测血氧浓度下降的可穿戴SpO₂检测仪的电源，以及安装了配备GPS传感器的智能救生衣的电源，这种传感器可以在发生溺水时定位被救助者。其相关研究成果已发表在《RSC Applied Interfaces》期刊的线上速报版上，并被选为该期刊的封面文章（outside cover）。
图1. 金属空气纸电池的原理图和性能（左），以及在各种可穿戴器件上的实际应用（右上）。右下为本研究所使用的正极催化剂的制作方法。（供图：Hiroshi Yabu）
金属空气电池是一种以锌、镁等易熔金属代替氢作为负极的燃料电池，其单位重量的能量密度比LIB（锂离子电池）还高出3倍以上，有望成为新一代的电池。尽管此前已有研究报告过通过在纸张表面形成正极，背面布置锌负极，以电解液为触发器来发电的低环境负荷的金属空气纸电池。但实际情况是，这类电池除了需要有害的碱性电解液外，即使使用盐水，也只能获得微瓦／平方厘米左右的输出功率，远不足以驱动实用性的器件。
影响金属空气纸电池性能的因素主要有三个：提高正极氧化还原反应（ORR）的效率、使用允许正极—负极间高电压的金属负极、降低电池组的电阻。此前，该研究团队已经开发出一种在碳上负载金属氮杂酞菁（metal azaphthalocyanine）的高性能ORR催化剂——AZUL（AZaphthalocyanine Unimolecular Layer）催化剂，并在不使用通常用作ORR催化剂的铂和氧化锰等贵金属和重金属的情况下，开发出了高性能的金属空气电池。
研究团队通过在滤纸等纸张上涂覆正极催化剂，在负极使用高电压和低环境负荷的镁，用集电体夹住后制成了金属空气纸电池。以盐水为电解液，对电池的电流—电压特性及电流—输出功率性能进行评估后发现，密度高的纸张在毛细力作用下吸收盐水的能力较强，但容纳的电解液少，电阻高，因此输出功率较低。同时研究人员还发现，密度低的纸张吸收盐水所需的时间更长，但电池的输出功率较高。这一结果表明，优化纸张密度对提高金属空气纸电池的性能至关重要。
优化后的电池拥有1.8伏的开路电压和103mW/cm²的输出功率，以及968.2Wh/㎏（Mg）的电池容量。此外，通过将碳纳米纤维（CNF）作为导电助剂混合到正极中，还可以制造不使用集电体而与器件直接连接的金属空气纸电池。
研究团队以实现金属空气纸电池的社会应用为目标，在可穿戴SpO₂检测仪和带GPS的智能救生衣上进行了有关实用化的实证实验。并委托AZUL Energy公司设计制作了一种新型可穿戴SpO₂检测仪，进行了实证实验以确定金属空气纸电池能否作为驱动电源，最终成功地远程监测了生物体内的氧浓度。此外，社会上对安装了GPS传感器的智能救生衣的需求越来越大，该传感器可以在渔业或水上娱乐等场所中发生溺水时定位被救助者。这种金属空气纸电池以盐水为触发器发电，所以当它浸入水中时，可同时充当传感器和电源工作。研究人员在AMPHICO公司开发的高拒水性救生衣中，嵌入了AZUL Energy公司设计制作的GPS传感器。以金属空气纸电池为电源，并用盐水将电源部分浸湿，最终证实该状态下依旧能通过GPS传感器的信号在Google Earth上进行定位。
这种金属空气纸电池在具有高性能的同时，而且由土壤和海水中富含的镁、安全催化剂、纸张和碳等环保材料组成，废弃时对环境负荷极低，处理安全，因此有望应用于各种可穿戴器件和应急电源等领域。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：RSC Applied Interfaces
论文：Rare-Metal-Free High-Performance Water-Activated Paper Battery: A Disposable Energy Source for Wearable Sensing Devices
DOI：10.1039／d4lf00039k
