日本的東北大學材料科學高等研究所（AIMR）藪浩（Hiroshi Yabu）教授、日本電力中央研究所首席研究員小野新平、東北大學的初創公司AZUL Energy以及英國初創企業AMPHICO公司等組成的研究團隊，以獨自研發的安全電極觸媒和紙張爲基礎，成功製作出了燃料電池和金屬空氣電池的一種——鎂空氣電池。它是一種幾乎不使用高環境負荷的重金屬和塑膠，以鹽水這種常見材料爲電花點火器，可以產生1.8伏的電壓和超過100mW/cm²的功率，電池容量爲968.2Wh/㎏（Mg），足以驅動可穿戴器件使用的高性能「金屬空氣紙電池」。此外，研究人員還證實，這種電池可以作爲監測血氧濃度下降的可穿戴SpO₂檢測儀的電流源，以及安裝了配備GPS感測器的智慧救生衣的電流源，這種感測器可以在發生沉溺時定位被救助者。其相關研究成果已發表在《RSC Applied Interfaces》期刊的線上速報版上，並被選爲該期刊的封面文章（outside cover）。
圖1. 金屬空氣紙電池的示意圖和性能（左），以及在各種可穿戴器件上的實際應用（右上）。右下爲本研究所使用的正極觸媒的製作方法。（供圖：Hiroshi Yabu）
金屬空氣電池是一種以鋅、鎂等易熔金屬代替氫作爲負極的燃料電池，其單位重量的能量密度比LIB（鋰離子電池）還高出3倍以上，有望成爲新一代的電池。儘管此前已有研究報告過透過在紙張表面形成正極，背面布置鋅負極，以電解液爲電花點火器來發電的低環境負荷的金屬空氣紙電池。但實際情況是，這類電池除了需要有害的鹼性電解液外，即使使用鹽水，也只能獲得微瓦／平方釐米左右的輸出功率，遠不足以驅動實用性的器件。
影響金屬空氣紙電池性能的因素主要有三個：提高正極氧化還原反應（ORR）的效率、使用允許正極—負極間高電壓的金屬負極、降低電池組的電阻。此前，該研究團隊已經開發出一種在碳上負載金屬氮雜酞青素（metal azaphthalocyanine）的高性能ORR觸媒——AZUL（AZaphthalocyanine Unimolecular Layer）觸媒，並在不使用通常用作ORR觸媒的鉑和氧化錳等貴金屬和重金屬的情況下，開發出了高性能的金屬空氣電池。
研究團隊透過在濾紙等紙張上塗覆正極觸媒，在負極使用高電壓和低環境負荷的鎂，用集電體夾住後製成了金屬空氣紙電池。以鹽水爲電解液，對電池的電流—電壓特性及電流—輸出功率性能進行評估後發現，密度高的紙張在毛細力作用下吸收鹽水的能力較強，但容納的電解液少，電阻高，因此輸出功率較低。同時研究人員還發現，密度低的紙張吸收鹽水所需的時間更長，但電池的輸出功率較高。這一結果表明，最適化紙張密度對提高金屬空氣紙電池的性能至關重要。
最適化後的電池擁有1.8伏的開路電壓和103mW/cm²的輸出功率，以及968.2Wh/㎏（Mg）的電池容量。此外，透過將碳奈米纖維（CNF）作爲導電助劑混合到正極中，還可以製造不使用集電體而與器件直接連接的金屬空氣紙電池。
研究團隊以實施金屬空氣紙電池的社會應用爲目標，在可穿戴SpO₂檢測儀和帶GPS的智慧救生衣上進行了有關實用化的實證實驗。並委託AZUL Energy公司設計製作了一種新型可穿戴SpO₂檢測儀，進行了實證實驗以確定金屬空氣紙電池能否作爲驅動電流源，最終成功地遠程監測了生物活體內的氧濃度。此外，社會上對安裝了GPS感測器的智慧救生衣的需求越來越大，該感測器可以在漁業或水上娛樂等場所中發生沉溺時定位被救助者。這種金屬空氣紙電池以鹽水爲電花點火器發電，所以當它浸進水中時，可同時充當感測器和電流源工作。研究人員在AMPHICO公司開發的高拒水性救生衣中，嵌入了AZUL Energy公司設計製作的GPS感測器。以金屬空氣紙電池爲電流源，並用鹽水將電流源部分浸溼，最終證實該狀態下依舊能透過GPS感測器的訊號在Google Earth上進行定位。
這種金屬空氣紙電池在具有高性能的同時，而且由土壤和海水中富含的鎂、安全觸媒、紙張和碳等環保材料組成，廢棄時對環境負荷極低，處理安全，因此有望應用於各種可穿戴器件和應急電源等領域。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：RSC Applied Interfaces
論文：Rare-Metal-Free High-Performance Water-Activated Paper Battery: A Disposable Energy Source for Wearable Sensing Devices
DOI：10.1039／d4lf00039k
