Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   5 ,  Octo ber   201 9 , pp.  4053 ~ 40 59   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 9 i 5 . pp4053 - 40 59           4053       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   A water - activat ed  battery ba sed on a ctiv ated ca rb on         Dang T rang  Nguy e n ,  Ko z o T aguchi   Depa rtment  o f  S ci en ce a nd  Enginee ring ,   R it sum ei kan   Univer sit y ,   Japa n       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   N ov   25 , 201 8   Re vised  A pr   19 , 2 01 9   Accepte d  Apr   25 , 201 9       In  thi s  rese ar ch,  a  novel   prop erty   of  a ctivated  c arb on  powder  ( AC  powder)  has  bee n  uti lized   to  rea lize  a  disp osable   pape r - b ase d  bat t er y .   AC  powder  was  loa ded  on  a  3D  ca rbon  pap er  su bstrat e  to  m ake   the   anod e.   The   ca thod e  was  int egr at ed   direct l y   on  th e  pap er - base d  batter y   cas e  b y   coating  m ult iwalled   ca rbon  nano tube  m ixe d  with  pot assium   fer ricy an ide   on  a  sid e  of   a  shee t  of   fil ter  pape r,   th e  othe r  side  worked  as  a  pape r - base d  proto n  exc hang e   m embrane .   Thi s  design  provides   a  sim ple   but  pra ctical  disposable   wat er - ac t iva t ed  b at t er y .   Th e  d eve lop ed  ba tt er y   gen e rat ed   the  m axim um   power   density   o f  10. 4   µW /c m 2   at   the   AC  powder  conc ent r at ion  of  1 7  m g/c m 2 .  Although,   the   o utput   power  of  the   bat ter y   is  lo w,  it   is  m ade   of  low - cost  and  abunda nt  m a te ri al s,  and  th ere for e  bei ng   a bl e  to   sca le   up .   The   b at t er y   is  a   disposable   and   on - demand  m ic ropower  ge ner ation  a ct iv ated  an y t ime,   an y wh ere b y   wa te r.   Ke yw or d s :   A ct ivate d ca r bon    A ir - cat hode   C arbon   na notu be    P ape r - base d    P otassium  f er ricy anide    W at er - a ct ivate d batt ery   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ko z o Tag uc hi,   Dep a rtm ent o f Sci ence a nd E ng i neer i ng,    Ri tsu m ei kan  Unive rsity ,    Ku sat s u, S hig a , J a pa n.   Em a il :  ta gu chi@se. ritsum ei .a c.jp       1.   INTROD U CTION   Nowa days,  the   ener gy  an d  e nv i ronm ental   crisi s  has  bec om e  a  seriou s  pro blem ,  wh ic h  m a y  loo m   ov e r  ne xt  gen e rati on s .  The refor e ,  the  exp l orat ion   of  ever y  po s sible  ways  to  gen e rate  en erg y  thr ough  green e r   and  cl eane r  processes   bec ome s  esse ntial .  S us ta ina ble  ene r gy  res ources   a re  belie ved  to  beco m e  the  ef f ect ive  so luti on  for  t his issu e  [ 1] .    Acti vated  ca r bon  ( AC)  has  be en  popula rly   util iz ing   f or   co un tl ess  a ppli cat ion s  incl ud i ng  purificat io n  of   water  [2]   a nd   biodiese l  [ 3] ,  hea vy  m et a l  rem ov al   [4] ,  capaci tors  [ 5] ,   natu ral  gas  a nd  bi og a s  sto ra ge  [ 6] ,  i m pr ovin g  hydro ge n  producti on  [ 7] .  Be ca use   AC  has  high   surface   area   a nd  ad sorptio n  capaci ty ,  pl us   it   is  abun dan t  an d  low - c os t.  AC  can  be  pro duce d  from   a l m os t  al l  carb on - rich   and   inex pe ns i ve  pr ec urso rs  ( su c h  as  cocon ut  sh el l,  woo d,   saw  dus t)  by  ph ysi cal   act ivati on   or  chem ic al  act ivatio n  [ 8] .  AC  ha s  al so   been  k now n  f or   it s  cat al yst   su pp or t  ca pacit ie s  in  gas - so l id  reacti on   [9]   and  hy dro ge n  generati on   from   su lf ur - iod ine  therm och em ical w at er - sp li tt ing cy cl e  [ 10 ] .    In   this  resea rc h,   we  ha ve  dis cov e re d  the  prop e rty   of   el ect rici ty   gen erati on   by  AC  powd e r:  if  AC   pow der   is   loa de d  in   the  a node   com par tm ent   of  a  batte ry  w it h  the  cat hode   an d  a node  se par at e d  by  a  prot on  exch a nge m e m br a ne; the n wa te r  is i nject ed  t o  the a node  com par t m ent, sig nificant el ect ri c pow e r  is  generate d.  Util iz ing   this  pro per ty ,   we  fa br ic at ed  a  pa pe r - base d  water - act ivate d  batt ery  ( WA B),  w hich  us e d  AC  pow der  to  gen e ra te   el ect rici ty .  To  the  best  of   our  knowle dge,  thi s  is  the  first  s tud y  util iz ing   this  prop e rty   of   AC   pow der   to  generate   power.  W it h  the  ad va ntages  of   lo w  cost,  ab unda nc e,  and   s us ta ina bili ty ,  AC  po w der   is  a   prom isi ng  su st ai nab le  e nergy  resou rce.     The  pa pe r - ba sed  desi gn  was  us e d  be cause  pa pe r  has  so m e  uniqu e  prop e rtie s  includi ng     (i)  ine xpensi ve ness  a nd  ab un dan ce ,  (ii)  c on ven ie nce  a nd   biodeg ra dab il it y,  and  (iii )  fle xib il it y.  The  pa per - base d  e nergy  s tora ge  dev ic es   can  facil it at e  disp os a ble  a nd  sta nd - al one  la b - on - c hip  syst em s  [11] ,  wh ic h  ha ve  recently   em erg ed  as  a   ne w  pa rad i gm   fo r  cl inica l  po i nt - of - care  ( PO C )  diagn os ti cs  [ 12] .   In  this  wor k,   X - ray  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4 0 5 3   -   4 0 5 9   4054   diffracti on  sp e ct rogr am   (X RD)  a nd   sca nning   el ect r on  m i cro sc ope  (SE M)  wer e  us e d  to  char a ct erize  the  A C   pow der   a nd   a node  el ect r ode.  The  perform ance  of   th e  WAB   in  var i ou s  w orkin g  c onditi on s  we re  in ves ti gated  to un der sta nd it s oper at in g pr i nciple.       2.   RES EA R CH MET HO D     2.1.   Materials   Coco nut  s hell - base d  act ivate d  carbo n  pow de r  KD - P WSP   ( par ti cl e  siz e  of   6µm )  was  pu r chase d  from   UES   Co .,  Ltd.  Adva ntec  #6   fi lt er  pap er  (pore  siz e  of   3  µ m )  was  purc hase d  from   Ad va ntec   Toyo  Kais ha ,  Ltd.   Mult i - wall ed  c arbo n  na notu be   (CNT )  disp e r sion   c oatin g  li qu i d  N70 06L  ( 6.1  wt%  CNT )   was  purc hase d  f r om  KJ  S pecial ty   Pape r  Co .,  Ltd.  Hyd r ophili c  car bon  pa per  C1 - P2  (ca r bon  fibr e   50  wt %  an d  cel lul ose   fib r e     50   wt%)  wa s  pro vid e d  by  Azu m i  Fil t er  Pape r  Co.,   Lt d.   P otassium   fer ricy anid e  (PF,  K 3 [ Fe(C N) 6 ] )  was   purc hased  f rom   W ak o  Pure  Chem ic a l  Industri es  Ltd .  Naf i on  pr oton  e xchang e   m e m br ane  (P EM )  was  boug ht   from  A GC E nginee rin g  Co ., Lt d.     2.2.   Pap er - b as ed   WAB de sign   Fig ure   1  s how s  the  detai l  design   of   the  de velo ped   pap e r - base d  WAB .  The  desi gn   re pr ese nts  th e   fu si on   of   t he  a rt  of   or i gam i  a nd   pa per - base d  W AB.  T he  ba tt ery  case   was  fabrica te d  ba se d  on   a   sh eet   of  filt er   pap e r.   Fig ure   1( a )  s hows  t he   fro nt  an d  bac k  side   vie ws  with  4  pa rts  in dex e d  from   ①   to  ④ ,  w hi ch  were     pre - di vid e d  by crease  li nes   ( da sh   li ne ).  T he  ai r - cat hode   wa s  fa br ic at ed   in  p art  ①   by   coa ti ng   C NT  m ixed  with   PF   ( 0.4 0  m l   of   0.76   M  K 3 [Fe (CN ) 6 ]   in  2  m l  CNT  so luti on)   (F - CNT )  on   the  bac k  side  by  screen  pri nti ng   m et ho d  (p ai nting   on  m asked  areas) .  T he  f r on t  si de  se rv e d  as  a  pa per - ba sed  m e m br an e .  The   w hole   batte ry   case  was   t hen   sp raye d   with  hy droph ob ic   s ol ution   ( Water  P roof  S pr ay )  t o  pr e ve nt  water   le akin g  to   the  ba tt ery   case.  A half - ci r cl e cut at the  r i gh t - ha nd side   of p a rt  ①   e xpos es t he  a nodic  elec tr ic al  co nt act  term inal.   In   pa rt  ② ,  a  hole   was  cut  at   the  centre  f or   water  in j ect ion  to  the  anode.  The  an ode  was   at ta ched   to  the  m idd le   area  of  pa rt  ②   usi ng   a dhesi ve  (3 M - 55  S pray   Adhesi ve) .   Ele ct rical   con ta ct   for  the  a node   we r e   m ade  by  coati ng  the  CNT  c oa ti n g  li qu i d  us i ng  scree n  pri nti ng   m et ho d.  Par t  ③   had   t wo   ha lf - ci rcle  cuts  at   th e   rig ht  and   le ft - hand  sides  for   the  expos ur e  of   a nodic  an d  cat hodic  el ect rical   con ta ct   te rm inals,  resp ect ively .  Dou ble - side d  ta pe  was  at ta ched   t o  par t  ④   to  fasten   and   cl am p  th e  who le   batte ry  w hen   c omplet el y  assem bling .  Then,  pa rt  ①   was  f old e d  to  par t  ②   fl ow i ng   th e  cr ease  li ne  between   t he  two  par ts .     Parts  ③   a nd   ④   we re  f old ed  a rou nd   pa rt  ①   an d  ②   to  assem ble  the  com ple te   batte ry  as  sh ow n  in     Fig ure   1(b).  It   is  furthe r  el a borated  by  A - A  a nd   B - B  cr os s - sect ion  vi ews.   Fig ure   1(b )  al so  sho w s  the   m ic ro sco pe  im age  of   t he  cr oss - sect io n  of  th e  integrate d  m e m br ane  c at ho de  with  sm oo th  c on ti nuit y  be twee n  the  coated  cat hode  a nd   t he  m e m br ane.  The  c om plete   W AB h ad   c om pact  si ze  of   ab out  2  cm   x  2  c m   x  0. 08  cm   and li gh t  dry - weig ht of a bout  1 50 m g.             Figure  1 .  ( a )  T he  sc hem at ic  d ia gr am s o f  t he fr on t a nd  back  sides  of the  bat te ry case.  (b)  T he  sc hem at ic   diag ram s o f  th e fro nt and  bac k  si des of t he  a ssem bled W A B wit h  it s  A - A  and B - B  cr os s - sect ions,    the m ic ro sco pe  i m age of  the  integ rated m e m br a ne  cat hode c ro ss - se ct io n,  and  the  phot o  i m age of  the  anod e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A water - activ at ed  batt ery  ba s ed on acti vate d car bon ( Dan g Tra ng Ng uye n)   4055     2.3.   Anode  fabri ca tion and ch ar act eri z at i on   To  m ake  the  anode,  AC  po w der   was  loa de d  on  a  hy drophili c  3D   car bo n  pa per   s ubstr at e  (C1 - P 2,    0.2  m m   thickne ss)  by  i m m er sing   the  car bo n  pa per   int o  th e  so luti on  of   AC  pow der   ( 4  g   AC  pow der  m ixed  with  10  m l   disti ll ed  water  usi ng   a  m agn et ic   sti rr er  for  24  h).  A fter  im m ersing   the  c arbo n  pa per   f or   on e   m inu te ,  it   was  ta ken   out  f or   dry ing   at   40 o C  f or   30  m in.  Thi s  is  cal le d  as  AC  pa pe r,   wh i ch  was  c ut  to  t he  siz e   of 1x 1  cm  to  m ake th e  ano de.  The  c oncent rati on   of  AC po w der in t his ano de  sam ple w as  about  17 m g/cm 2 .      2.4.   Experim en ta l  meth od   Scan ning  el ect ron  m ic ro sco py   (S EM,  Hita chi  S 4300)  was  us e d  to  obser ve   the  s urface  of  the  ca rbo n  pap e r  s ub st rate  and   t he  AC  pow de r.   X - ray  diffracti on  sp e ct ro s c op y  (X R D,   X' Pert 3   Powd e r  P AN al yt ic al )  wa s   us e d  to  m easure   cryst al li ne  m orp ho l og y  of   t he  AC  pow de r ,  car bon  pa per ,   an d  AC  pa per.   I n  al l  ex per i m ents,  un le ss  oth e rw i se  sta te d,   we  use d  the  AC  pa per   a nodes  with  the  AC  po w der   c on ce ntrati on   of   17   m g/cm 2 ,  the   cat hodes  with  the  PF  co nce nt rati on   of  0.4 0  m l  of   0. 76  M  K 3 [F e (CN ) 6 ]   i n  2  m l  CNT  so luti on,  pa pe r - base d  m e m br ane,  an d  ta p  water  (pH  = 7 ) . Th e e xperim ental  co nd it ion s  wer e  open  ai r , at r oo m  te m per at ur e o f 25   o C.   Each  ex pe rim e nt  was  co nduc te d  three  tim es   in  identic al   conditi ons  an d  the  ave rag e  res ult  was  pr e sen te d  in  this  pap e r.   In   a dd it io n,   a  5  kΩ   resist or   was  c onnected  betw een  the  an ode  and   cat hode  to   discha rg e  the  WA B .  Af te r   in j ect in g  20  µl   ta p  water  int o  the   a node,   t he  volt age   over   the  resist or  was   m o nito red  eve ry  10  s   by  a  data  acq uisit i on   syst em   ( Nati on al   I ns tr um ents  US B - 6210)  via  a  custom iz ed  LabVIE W   i nterf ac e     on a c om pu te r.       3.   RESU LT S   A ND D I SCUS S ION   3.1.   Anode c ha r ac teriz at ion   SEM  im age  of  the  3D  ca rbo n  pap e r  C1 - P 2  is  show n  in   Fig ure   2( a ).   C arbo n  fi br es  a nd  cel lulose   fibr e s  are  i nter la ced  to  m ake  a  flexible  3D  s tructu re.  T he  i nterc onnecti on   betwee n  the  c arbo n  fib res  e na bles  el ect rical   cond uctivit y  for  the   carbo n  pap e r.  The  AC  pow der   l oad e d  on  the  an ode  is   s how n  in  Fig ure   2 ( b).     It  can   be  c onf irm ed  that  the  aver a ge  par ti cl e  siz e  is  6  µ m .   In   a dd it io n,   the   inset  of  Fig ure   2(b)  s hows  honeycom b - li ke   struct ur e   of  nanoscale  por os it y  on  the   s urface  of  the  AC  po wd e r.  Du e   to  t his  st ru ct ur e,     the A C  po wd e r  h as  larg e  s urfa ce area  [8] .             Figure  2. SEM  i m ages of (a)  t he 3D ca r bon p aper C 1 - P 2  a nd  (b)  the  A C  powde r  (t he  in s et   shows hi gh l y  por ou s  surfa ce  of the  AC  pap e r  at   high m agn ific at ion )       Fig ure  3  sho w s  the  m easur ed   XRD  data  of   t he  AC  pow der,  carbon   pap e r,  and   AC  pa per.  The  XR D   patte rn  of  the   AC  po wd e r  ha d  str ong  a nd   wea k  diffracti on   pea ks   at   2Ɵ= 24 o   a nd  44 o ,  w hich  show   good   agr eem ent  with  the  XRD  data  of   oth e r  ty pe s  of   AC  po wd e r  previ ously   rep ort ed  [13 - 15] .   Obviously ,  th e  XR D   patte rn   of  the  AC  pa pe r  was   the  com bin at ion   of  the  AC  pow der   a nd  ca rbo n  pa pe r  XR D  patte r ns.  Ba sed  on   the  di ffract ion  patte rn,  it   can   be  c onfirm ed  that  no  s pecial   con ta m inati on   fou nd   i n  the   fa br ic at ed   an ode ,  su c h  as the  pea ks   of any m et al  co nta m inati on .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4 0 5 3   -   4 0 5 9   4056       Figure  3. XR D  p at te r n of  t he AC p owde r, ca rbo n pap e r,  a nd  AC pape r       3.2.   WAB ch ar acter iz at ion   First,  to  co nf i r m   wh et her   the  AC  pow der   is  the  m a in  cause  of   el ect rici ty   gen erati on  in  th e  anode,  w e   cond ucted  a n  exp e rim ent  us ing   t wo  an odic   m a te rial s,  w hich  were  the   carbo n  pap e r   on ly   (w it ho ut   AC   pow der)  an d  the  AC  pap e r  ( with  AC  pow de r) .  T he  e xp e ri m ental   resu lt   is  disp la ye d  in  Fig ure   4.  O bviou sly ,   the  car bon  pa per   a node  generate d  neg li gi ble  disch ar ging  volt age  with  the  m axi m um  vo lt age  of  7  m V.   Me anwhil e,  th e  AC  pap e r  a node  ge ner at e d  m uch   hi gh e r   volt age  with   the  m axi m u m   vo lt age   of  180  m V.     This  res ult  co nf irm s  that  the  AC  pow de r   was  th e  m ain   cause  of  el ect rici ty   gen er at ion   in  the  a node     of the  WA B .   Seco nd, to  ev a luate  the p er for m ance o f  the paper - ba sed  m e m br ane,  the com m ercial n afio n  PEM wa s   us e d  in  the  pla ce  of   t he  pa pe r - base d  m e m br ane  in  t he  WAB .  In   t his  ex pe rim ent,  the  nafi on   P EM  was   coated   by  F - C NT  us in g  the  sam e  m eth od  as  us e d  with  the  pap e r - ba sed  m e m br ane.   The n,   it   was  use d  to  re place  part   ①   in   Fig ure   1 .  Fig ure   5  sho ws   the   pe rfor m ance  of   t he  nafi on   PEM   in  c om par ison   with  the  fa br ic at ed   pap e r - base d  m e m br a ne.   I n  the  case   of   us i ng   t he   na fio n  PEM  the   dischargin g  volt age  was  si gnific antly   high er  than  that  of  the  cas e  us in g  t he  pa per - ba sed  m em br ane,  the  m axim u m   ou tput   vo lt age   of  300  m V  com par ed  with   180  m V.   Althou gh  the   na fio n  PEM   ha s  bette r   pe rfo rm ance   than   the  pap e r - bas ed  m e m br ane,   it   i s  ov e r qu al ifie d  f or   dis po sa ble  pa per - ba sed  de vi ces  beca us e  it   is  exp e ns i ve.   T her e fore,  i n  thi s  resea rch  we  us e d  the p a pe r - base d  m e m br ane to m ini m iz e the co st  of  t he WA B.           Figure  4. Disc hargin g v oltag e of the   WA Bs  u si ng  carbo n pap e r  a nd A C  pa per a nodes .   T he pap er - base d  m e m br ane a nd tap  wat er  wer e  u se d  i n  this  exp e rim ent       Figure  5. Per f orm ance co m par iso n betwee n  t he  WA Bs  u si ng t he fab ricat ed p aper - ba sed  m e m br ane  and the c omm e rcial  n afi on PE M. The  A C  anod e  and  ta p  wat e r were  us e d  in  this e xperim ent       Finall y,  the  inf luence  of   the  pH  of  water  us e d  f or   act ivati on  (acti vatin g  s olu ti on)  to  t he  perform ance  of   the  WAB   w as  al so   in vestigat ed.   We  c ondu ct e d  an  e xpe rim ent  with  the  W ABs  act iva te d  by  aci dic  s olu ti on   (0.1   M  HCl,   pH = 1) ,  basic  so luti on   ( 0.1  M  NaO H ,   pH = 13),   an d  ta p  water  (pH=7),  re sp e ct ively .    The  e xp e rim ental   resu lt   is  show n  i n  Fig ure   6.   With  t he  s a m e  vo lum e  of  20  µl   in j ect i ng  to  th e  an od es,  the  aci dic  so luti on   gen e rated  the  lowest  volt age   (120   m V  at   t he  m axi m u m ),   wh il e  the  basi c  so luti on  ge ne rated   the  highest  volt age  (32 0  m V  at   the  m axi m u m ),   and   the  m i dd le   wa s  the  ta p  water  ( 180  m V  a t   the  m ax i m u m ).  Ba sed  on  this  r esult,  the  pH  of  the  act ivati ng  so luti on  is  an  i m po rtant  fact or   a ff ect in g  th e  perform ance  of   th e   WA B .  I n  this  researc h,   we  use d  ta p  water  with  pH  =  7  f or   al l  ex per im ents  beca us e  it   is  no nt oxic   and,  i n  pr i nciple, ea sil y ac cessi ble.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A water - activ at ed  batt ery  ba s ed on acti vate d car bon ( Dan g Tra ng Ng uye n)   4057       Figure  6.   Per f orm ance co m par iso n betwee n  t he WABs  acti va te d  by aci dic  so luti on  (0.1  M HCl , pH= 1), b a sic   so luti on  (0.1  M NaO H, p H= 13), an d  ta p w at er (pH = 7),  re sp ect ively . T he  A C a node  and  p a per - ba sed   m e m br ane   were use d  i n  this e xp e rim ent       3.3.   Power de nsit y   To  eval uate  th e  power  d e ns it y  of   the W AB,   diff e ren t  e xter nal  resist ors  w ere  us e d  f or  d i schargin g  th e   batte ry.  Fig ure   7( a )  sho ws  th e  m axi m u m   ou tpu t  volt age  a nd  the  c orrespo nd i ng   powe r  de ns it y  of   the  WA B  a s   a  functi on   of   t he  cu rr e nt  de nsi ty   reco rd e d  a t  the  giv en  e xt ern al   resist or s  of   140  kΩ ,  10  kΩ,  5  kΩ,  1  kΩ ,  an d  0.51   kΩ.  The  discha rg i ng   vo lt ages  are  s hown   i n  Fig ure   7(b) .  At  1  kΩ   exter nal  resis ta nce,  the  m axi m u m   powe r  de ns it y  of   10.4   µ W/c m 2  was  ob ta ine d.   Ba se d  on  th is  resu lt ,  the  in te rn al   resist anc e  of   the  pa per - base d  WA B  w as  abo ut 1 k Ω .             Figure  7. (a )  P olarizat ion cu r ve of  the m axim u m  d isc har gi ng volt age a nd  the  m axi m u m   powe r dens it y  as a  functi on  of  t he c urren t  de ns it y. ( b) Outp ut  volt age d isc harge d by so m e exte rn al   resist ors.   The AC a node,  pap e r - base d  m e m br ane , a nd tap  water   wer e   us e d  in  this e xperim ent       3.4.   Discussio n   To  e xp la in  f or   the  ex per im ental   resu lt s  sho w n   in  Fi g ure s   4,  5,   a nd   6,   we  s uppose  that  th e  op e rati on   of   t he  WA B  is   as  f ollo ws:  el ect rons  a nd  pr otons  a re  gen e rated  i n  the  a node   com par tm ent  after   ad ding  wate r   to  the  AC  an ode  to  act ivate ;  the  el ect ro ns   go   th r ough  the   extern al   ci rc ui t  to  the  cat ho de  w hile   the  prot on s   m igrate  to  the  cat hode  thr ough  the  m e m br ane   to  com plete  t he  el ect rical   cir cuit  an d  kee p  the  el ect ro - ne ut rali ty  in  the  syst em .  Ba sed  on  the   res ult  show n  in   Fi g ure   5,   the  ge ne rati on  of  the  proto ns  ( H + )  i n  the  anod e   com par t m ent  can  be  c onfirm ed  beca us e  the  naf i on   P EM  can  sup port  only   the  penet rati on  of  prot ons.  Du e  t o  the  naf io n  PE M  facil it at ed  the  m igrati on  of  the   pr otons  from   the  an od e   t o  th e  cat ho de,  the  perform ance  of  the   naf i on   PEM  w as  bette r  tha n  that  of   t he  paper - base d  m e mb ra ne.   I n  ad diti on ,  t o  e xp la in   the  res ult  sho wn  i n  Fig ure   6,  in  aci dic  so luti on  the  con ce ntrati on   of   H +   is  hi gh,  w hile  that  is  low  in  basic   so luti on.  Wh e n  the   proto n  c oncen trat ion   i n  the   anode  c om par tm ent  is  high,   it   te nd s  t o  ho l d  back  el ect rons,   a s  a  res ult,  le ss   el ect ro ns  ca n  r each  t o  the   cat hode   an d  t her e fore,   the  outp ut   volt age  is  de creased .  T his  m echan ism   work s   in   opposit e  fash i on   wh e n  the  con ce ntrati on  of   proto n  is  low  as  in  the  sit uation  of  a dd i ng   basic  so luti on.  Ther e f or e,   t he   basic  so l ution   gen e rated   the  highest   ou t pu t,  w hile  the  aci dic  so luti on  ge ner at e d    the lo west  ou t put.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4 0 5 3   -   4 0 5 9   4058   More ov e r,   at   t he  PF - prel oa de d  ai r - cat hode ,  the  pr otons  are  reduce d  by  oxygen  in  t he   ai r   diffuse d  i n  the  cat hode   ( 1) ,  howe ver  th e  slow  re duct ion  ki net ic   of  plain  ox y gen  lim i ts  this  redu ct ion   r eact ion  [16] .    In   a ddit ion   t o  the  re du ct io n  r eact ion   by  ox ygen,  PF  is  t he   m a in  el ec tro n  acce pto r   at   the  cat ho de  ( 2)   [16] .  Howe ver,  the  r edu ct io n  reacti on   by  PF  co uld   not  la st  fo re ver ;  after  a  gi ve n  tim e  of   op e rati on   al l  ferric ya nid e   ion s  wou l d be  reduce d.  T he re fore,  t he devel op e d WAB  is  on ly  s ui ta ble  f or d is po s able a pp li cat io ns .      O 2   +  4H +   +  4e -       →    2H 2 O   (1)     [F e(C N) 6 ] 3 -   + e -                    →      [F e (CN ) 6 ] 4 -   (2)     The  m ov em ent  of  el ect r ons  a nd  pr otons  e xp la ined  a bove   is   sim il ar  to  that   of  the   bio f uel   cel ls  [ 17 ] .  We  ha ve  not  cl early   un de rst ood  the  m echan ism   of   how   el ect ro ns   a nd  proto ns   are  ge ner at e d  by  th e  AC  pow der   when  water  is  prese nt.  T his  cha ra ct erist ic   m ay   be  relat ed  t o  the  cat al yt ic   ac ti vity   and   na nopo rous   structu re  of  the   AC  pow der.  It   sh ould  be  no t ed  that  the  W AB  presente d  her e  has  a  di fferent  m echan ism   fr om  the  tradit io nal   m e ta l - based   WA B ,  w he re  water  form s  t he  el ect r olyt e  with  io ns   pro du ce d  by  m etal - base d  el ect ro de   react ion s  a nd  a  s ol uble   sal t   [ 18 ] .   A lt ho ug h  at   this  sta ge,   t he  WAB   can  gen e rate   low  po wer   de ns it y,  it   is   wo rth  to  c on si der   this  ty pe  of   WA B  f or  furthe r  dev el op m ent  becau s e  it  is  based   on  low - co st,  ab unda nt,  and s us ta inable  A C m at erial , w hic h  is easy  t o  acc ess  ev e n  a t dev el op i ng c ountries.       4.   CONCL US I O N     This  pa per   f oc us e d  on   the  de m on strat ion   of  po w er  ge ner at ion   by  act ivate d  carbo n  in  a  pap e r - bas e d  WA B .  The  ba tt ery  can  instantl y  pr od uce  on - dem and   el ect rici ty   activated  by  water .  T he  de velo pe d  WA B   gen e rated   th e  m axi m u m   pow er d ensity  o f   10. 4  µ W /c m 2   at   the  AC   po wd e r   co nce ntrati on o f   17  m g/c m 2   l oad e d  on  the   3D  car bon  pa per - bas ed  a node .   T he   pa per - based  WA B   ena bles   a  lo w - cost   powe r  s ource   t hat  ca n  po te ntial ly   e m powe r  the  ne xt  ge ner at io n  of   sel f - power e d  pa per - ba sed  dia gnos ti c  de vice s.  F or   fu t ur e   stud ie s ,   enou gh att ention sh ould  b e  pai d  on  f ur the r disco ver i ng the  operati ng  pr i nc iple o f  this   ty pe of  b at te ry.        ACKN OWLE DGE MENTS   A part  of this  r esearch  w a s s uppo rted by  AZ UMI FILT ERP AP ER C O. ,  Lt d .       REFERE NCE S     [1]   N.  L.  Panwar,   et  al . ,   “ Role  of  re newa ble  ene rg y   source s  in  env ir onm ent al   prot ection:   A  r evi ew , ”   Re new .   Sustain .   Ene rgy  Rev. ,   vol /i ss ue:   15 ( 3 ) ,   pp .   1513 - 1524,   201 1.   [2]   B.   J .  Sán chez,  et  al.,   “ Self - p rope lled  a ctivated  c arb on  ja nu s  m ic rom otors  for  eff i cient  w at er   purifica ti on , ”     Small ,   vo l /i ss ue:   11 ( 4 ) ,   pp.   499 - 5 06,   2015 .   [3]   A.  B.   Fadhil ,   et  al . ,   “ Purific atio n  of  biodi ese l  u sing  ac ti v at ed  c arb ons  produc ed   from   spent  te a  waste , ”  J.   Assoc .   Arab  Univ. B asi c  App l. Sc i . ,   vol / issue:   11 ( 1 ) ,   pp.   45 - 49,   2012 .   [4]   M.  Karni b,   e t  a l . ,   “ Hea v y   m e ta l s  removal   using   activate d  ca rbo n,   sili ca  and  si lica  ac t iva t ed  ca r bon  compos it e,”     in  En ergy   Procedia ,  vo l. 50, pp.  113 - 120 ,  2014 .   [5]   M.  Boota,  et  al.,   “ Acti v ated  C arb on  Sphere s  as  a  Flowabl e  El e ct rode   in  E l ec tro che m ical  F low  Capa c it ors, ”    J.   Elec troch em.   Soc. ,   vol /i ss ue:   1 61 ( 6 ) ,   pp .   A107 8 - A1083,  2014.   [6]   I.   Este ves ,   et   al. ,   “ Ads orpti on  of   nat ura l  gas  and   bioga s  components  on  ac t iv at e d  ca rbon, ”  Sep.   Purif .   Techno l. ,  vol /i ss ue:   62 ( 2 ) ,   pp.   281 - 296 ,   20 08.   [7]   M.  Haka m iz adeh,  et   al.,   “ Im proving  h y droge n   produc ti on  via  wate r  split t ing   over   Pt/T iO  2/a ctivated  ca rbo n  nanoc om posite , ”   Int. J.  Hydrogen   Ene rgy ,   vo l /i ss u e:   39 ( 14 ) ,   pp .   72 62 - 7269,   2014 .   [8]   T.   Lee,   e t  al.,   “ Acti va te d  Carbo n  Fiber  - the   H y b rid  of  Carbon  Fiber  and  Acti va ted  Carbon, ”  R ev .   Adv .   Mat er.   Sci ,  vol.   36 ,   pp .   118 - 136,   2014 .   [9]   H.  Jüntgen ,   “ Act iva t ed  c arb on  as  ca t aly st support , ”  Fu el ,   vol /i ss ue :   65 ( 10 ) ,   pp.   143 6 - 1446,   1986 .   [10]   D.  M.  Ginos ar,   et   a l.,   “ Com m er ci a l  activ at ed  carbon  for  the   ca t a l y ti c   produc t ion  of  h y drog en  vi a  the   sulfur - Iodin e   the rm oche m ic a l w at er  spl it t ing c y c le,”  Int. J.  H y drogen  Ene rgy ,   vol /i ss ue:   36 ( 15 ) ,   pp .   8908 - 8914 ,   2011.   [11]   L.   Ge ,   e t  a l.,   “ Photoelect ro che m ic a l  la b - on - pape r  devi c e  bas ed  o n  an  integra te d  pape r  super ca pa ci tor  and  in te rn a l  li ght  sour ce,”   An al.   Ch em. ,   vol /i s sue:   85 ( 8 ) ,   pp .   3 961 - 3970,   2013 .   [12]   J.  Hu,  et   al . ,   “ Advanc es  in  pa per - base d  point - of - ca re  d ia gno stic s,”   B iosensors   and  Bi oel ec t ronics ,   vol.   54 .     pp.   585 - 597 ,   20 14.   [13]   C.   G.  Lee,   et  al.,   “ Oxida ti on  b e havi or  of   ca r bo n  in  a   co in - t y pe   direct   ca rbon   f uel   ce l l,”  J .   El e ct roche m.   Soc . ,  vol /i ss ue:   158 ( 4 ) ,   pp .   B410 - B415 ,   2011 .   [14]   Y.  Shu,  et  al.,   “ Single   and   competi t ive   adsorption  of  Cd(II)  and   Pb(II)  from   aque ous  soluti on  b y  a ctivated  ca rbo n   pre par ed   with   Sa li x  m at sudan a  K iodz , ”  Wa te r S ci.  Techno l. ,   vo l /i s sue:   74 ( 12 ) ,   pp .   2751 - 2761,   De c   2016.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       A water - activ at ed  batt ery  ba s ed on acti vate d car bon ( Dan g Tra ng Ng uye n)   4059   [15]   Z.   Xie ,   et   al.,   “ Producti on  of  b iol ogically   activ at ed  ca rbon  fro m   ora nge  pee l  and  la ndfi ll   l eacha t e  subs eque n t  tre a tment  t ec hno log y , ”   J .   Ch em. ,   vol.   2014 ,   2014 .   [16]   M.  Rahi m nej ad,   et   al.,   “ Microbi a l  fue l  ce l l  as  new  te chnol og y   fo r  bioe le c tricity   g ene ra ti on:  A  rev ie w,”   A le xandri a   Eng.   J. ,   vo l /i ss u e:   54 ( 3 ) ,   pp .   745 - 756,   2015 .   [17]   B.   E.   Loga n ,   et   al . ,   “ Microbi a l  f uel   c el ls:  Me tho dolog y   and  t ec h nolog y , ”  Env iro n.   Sci.  Techno l. ,   vol /i ss ue:   40 ( 17 ) ,  pp.   5181 - 5192 ,   2006.   [18]   J.  R.   Goldstei n ,   et   al.,   “ W at er ac t iva t ed  ba tter y , ”   Google  Pat ent s,   2017.       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS            D.  T rang  Ngu yen   was  born  in   V ie tna m   in   198 6.   He   recei v ed  t he  BS   degr ee  in   2009  from   th e  Depa rtment  of  T el e comm unic at i on  S y stems   Hanoi  Univer sit y   of S ci ence  and  T e c hnolog y ,   Hanoi ,   V ie tna m .   Aft er  tha t   he   re ceive d  th e  ME   in   2 01 1  from   the  Depa rtment   of   El e ct roni cs  and   El e ct r i ca l   Eng in ee ring ,   Donggu k  Univer sit y ,   S eoul ,   South  Ko rea .   From   201 1  to  2014 ,   he  complet ed   his  PhD   progra m   in  int egr at ed   scie n ce   and  eng ine er ing  at  Rit sum eikan  Univer sit y ,   K y oto ,   Japa n .   A fte r  ea rning   his  PhD ,   he  was  a   q ual ity   assuranc e  engi ne er  a t  T akako  In dustrie s,   Inc .   from   2015  t o  2017.   Curr ent l y ,   he is a   sen ior  r ese arc h er at   the   Rit sum ei kan  Glo bal   Innov at ion   Resea rch   Or gan iz a ti on,   R it sum ei kan  Univer si t y .   His  fie lds  of  i nte rest  inc lud e  Biofue l  C el ls,   Solar  Ce ll s,   Biosensors,  and   H y dr ogen  En er g y .     Koz o  T ag uchi   was  born  in  K yoto,  Japa n ,   on   D ec ember   18,   19 68.   He   r ec e ive d   the  B . E . ,   M.E . ,   and  Dr .   Eng .   D egr ee s   in   e lectr i ca l   eng ineeri ng   from   Rit sum ei k an   Univ ersity ,   K y oto ,   Japa n ,   in  1991,   1993,   and   1996,   resp ec t iv ely .   In   1996,   h e  joi ned  Fuku y am a  Univer sit y ,   Hir oshim a,   Japa n,   where   h e  h ad  b ee n  enga g ed  in  rese arc h   and   de vel opm ent   on   th e  opt ical  f ibe r   tr appi ng  s y stem,   sem ic onduct or   r ing  l ase rs  and   the ir   appl icati on   for  op toe l ectro nic s  dev ices,  a nd  pol y m eri c  opti c al   wav eguides  for  opt ic a l  i nte rco nn ec t ion.  In  1996 – 2003,   he  worked  as  a n  assistant   and   le c ture r   in  Fuku y ama   Univer sit y .   In   2003,   he  m oved  to   Rit sum e ika n  Univ ersity ,   Shiga,  Japa n ,   and  cur ren tly   he   is   a   prof essor  o f  dep art m ent  of   el e ct ri c   and   e lec troni c   en gineeri ng.   From   2006   to  2007,   h e  was   a  visi ti ng  prof e ss or  at   Univer sit y   of   St  Andrews   (Scotl and ,   Uni t ed  Kingdom ).   From   2014  to  2015,   he   was  a  visi ti ng  pro fessor  at   Nan yang  T ec hnolog i ca l  Univ ersity  (Sing apor e).  His   cur ren t  r ese ar ch   intere sts inc lud e   cells  tra p ,   m ic ro flui dic  c ell - base d  device s,   d y e  sensiti z ed  sol ar   ce l l,  biofu el  c el l s,  biosensors,   an d  h y droge n   ene r g y .   Dr .   T aguc hi   i s  a   m ember  of  the   JJ AP .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.