美国宾汉姆顿的纽约州立大学电子与计算机工程系的研究人员研发了一种一次性的纸电池, 把细菌集成到纸张中, 通过细菌产生电流.
图∣ 来源: Seokheun Choi
该团队的助理教授 Seokheun Choi 表示, 纸基电子产品有着独特的优势, 它灵活, 可持续, 环保, 廉价, 并且具有良好的机械, 介电以及流体性能.
微型电子产品和电池可为各种各样的设备提供动力, 比如可摄入的医疗器件, 智能交通用传感器等. 微型电子产品和电池的迅猛发展, 带动着电子设备设计上的创新, 也更加注重其环保性.
据估计, 未来 5 年有可能增加超 500 亿的电子设备. 飞速发展的同时也会带来一定问题, 比如由于设备寿命较短, 导致大量报废电子设备的处理问题.
有报道认为锂离子电池和超级电容器作为驱动有优势, 能量密度高, 轻量化, 并且能够集成在柔性衬底上. 但是, 锂离子电池由不可生物降解的有毒材料制成, 并且制备工艺能耗高, 会对环境造成破坏. 而一些替代能源收集技术, 比如太阳能电池, 纳米发电机以及热电发电机, 也都使用了大量不可再生的, 难降解的重金属和聚合物.
由此而言, Choi 团队研发的纸电池则具有明显的优势, 在纸电池报废后, 细菌会将其 '吞噬' , 实现降解.
另外, Choi 表示, '利用纸作为设备衬底的好处就是可以随意堆叠/折叠, 这样能够实现串联或者并联. '
Choi 团队的工作得到了美国国家科学基金会的支持(30 万美金). 早在 2015 年, 他们就利用自呼吸氧电极, 将镍喷射在纸上, 研发出了一种可以折叠成四方块的电池(火柴盒那么大). 该电池的总成本只有 5 美分. 他们承认纸电池提供的电力很微量, 但是能够与细菌结合起来, 利用这些无处不在的资源制作电池是一个很棒的想法.
最近, 在美国化学会第 256 届年会(8 月 19 日)上, Choi 报告了生物电池如何被激活, 以及它们的保质期如何提升.
细菌电池的原理是通过细菌的呼吸将储存在有机质中的生物化学能转化成生物能. 这个转化过程包含了一系列反应, 这些反应发生在生物分子(电子载体)中.
Choi 团队研发的细菌驱动的纸电池, 是在纸上放置了冻干的 '产电菌' . 产电菌可以将电子转移到细胞外, 与外部电极接触从而提供电力. 为了激活电池, 他们添加了水或者唾液.
纸电池的最大功率可达 4 µW/cm2, 电流密度可达 26 µA/cm2. Choi 表示这一结果远高于之前的纸基微生物电池. 但是, 即便如此, 动力性能仍非常低, 限制了其应用. 为了实现商业化应用, 功率/电流密度至少要提高 1000 倍以上.
其实, Choi 团队并不是唯一在做纸基电池的研究团队. 2017 年, 西班牙, 加拿大以及美国的研究人员纷纷报道了一种非金属的, 可生物降解的氧化还原液流电池, 适用于便携的一次性应用场景. 这些电池运行 100 分钟后, 埋在土里, 利用微生物降解处理, 类似于后院堆肥处理. Choi 表示, 这种电池的潜在劣势在于, 生物降解性需要有利的填埋处理条件.
Choi 团队的纸电池通过细菌吞噬实现降解, 无需填埋, 并且 Choi 表示他们最新的纸-聚合物复合生物电池在水里很容易降解.
Choi 表示, 利用细菌驱动的纸电池, 可以将能量输送到各个地方, 甚至是没有电网的地方, 为发光二极管和计算器等提供动力.
此外, 革新的工程技术可用于控制纸张中纤维的直径, 消除粗糙度, 控制透明度, 从而拓宽应用领域. 把纸与有机, 无机以及生物实体结合在一起, 拓宽了工程可能性的范围, 也使纸有望成为研发下一代电子产品的 '可行平台' .
目前, 纸电池的储存寿命是 4 个月. Choi 团队在努力提升冻干细菌的生存以及性能, 以延长寿命. 他们还申请了相关专利, 并在寻找行业合作伙伴, 推进商业化.