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日本的東北大學(xué)材料科學(xué)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(xué)的初創(chuàng)公司AZUL Energy以及英國初創(chuàng)企業(yè) AMPHICO 公司等組成的研究團(tuán)隊，以獨自研發(fā)的安全電極催化劑和紙張為基礎(chǔ)，成功制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(huán)境負(fù)荷的重金屬和塑料，以鹽水這種常見材料為觸發(fā)器，可以產(chǎn)生1.8伏的電壓和超過100mW/cm2的功率，電池容量為968.2Wh/㎏（Mg），足以驅(qū)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，這種電池可以作為監(jiān)測血氧濃度下降的可穿戴SpO?檢測儀的電源，以及安裝了配備GPS傳感器的智能救生衣的電源，這種傳感器可以在發(fā)生溺水時定位被救助者。其相關(guān)研究成果已發(fā)表在《RSC Applied Interfaces》期刊的線上速報版上，并被選為該期刊的封面文章（outside cover）。

圖1. 金屬空氣紙電池的原理圖和性能（左），以及在各種可穿戴器件上的實際應(yīng)用（右上）。右下為本研究所使用的正極催化劑的制作方法。（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為負(fù)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，有望成為新一代的電池。盡管此前已有研究報告過通過在紙張表面形成正極，背面布置鋅負(fù)極，以電解液為觸發(fā)器來發(fā)電的低環(huán)境負(fù)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堿性電解液外，即使使用鹽水，也只能獲得微瓦／平方厘米左右的輸出功率，遠(yuǎn)不足以驅(qū)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(yīng)（ORR）的效率、使用允許正極—負(fù)極間高電壓的金屬負(fù)極、降低電池組的電阻。此前，該研究團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出一種在碳上負(fù)載金屬氮雜酞菁（metal azaphthalocyanine）的高性能ORR催化劑——AZUL（AZaphthalocyanine Unimolecular Layer）催化劑，并在不使用通常用作ORR催化劑的鉑和氧化錳等貴金屬和重金屬的情況下，開發(fā)出了高性能的金屬空氣電池。

研究團(tuán)隊通過在濾紙等紙張上涂覆正極催化劑，在負(fù)極使用高電壓和低環(huán)境負(fù)荷的鎂，用集電體夾住后制成了金屬空氣紙電池。以鹽水為電解液，對電池的電流—電壓特性及電流—輸出功率性能進(jìn)行評估后發(fā)現(xiàn)，密度高的紙張在毛細(xì)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(fā)現(xiàn)，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(jié)果表明，優(yōu)化紙張密度對提高金屬空氣紙電池的性能至關(guān)重要。

優(yōu)化后的電池?fù)碛?.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，通過將碳納米纖維（CNF）作為導(dǎo)電助劑混合到正極中，還可以制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(tuán)隊以實現(xiàn)金屬空氣紙電池的社會應(yīng)用為目標(biāo)，在可穿戴SpO?檢測儀和帶GPS的智能救生衣上進(jìn)行了有關(guān)實用化的實證實驗。并委托AZUL Energy公司設(shè)計制作了一種新型可穿戴SpO?檢測儀，進(jìn)行了實證實驗以確定金屬空氣紙電池能否作為驅(qū)動電源，最終成功地遠(yuǎn)程監(jiān)測了生物體內(nèi)的氧濃度。此外，社會上對安裝了GPS傳感器的智能救生衣的需求越來越大，該傳感器可以在漁業(yè)或水上娛樂等場所中發(fā)生溺水時定位被救助者。這種金屬空氣紙電池以鹽水為觸發(fā)器發(fā)電，所以當(dāng)它浸入水中時，可同時充當(dāng)傳感器和電源工作。研究人員在 AMPHICO 公司開發(fā)的高拒水性救生衣中，嵌入了 AZUL Energy 公司設(shè)計制作的GPS傳感器。以金屬空氣紙電池為電源，并用鹽水將電源部分浸濕，最終證實該狀態(tài)下依舊能通過GPS傳感器的信號在 Google Earth 上進(jìn)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、安全催化劑、紙張和碳等環(huán)保材料組成，廢棄時對環(huán)境負(fù)荷極低，處理安全，因此有望應(yīng)用于各種可穿戴器件和應(yīng)急電源等領(lǐng)域。

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