美國賓漢姆頓的紐約州立大學電子與計算機工程系的研究人員研發了一種一次性的紙電池, 把細菌整合到紙張中, 通過細菌產生電流.
圖∣ 來源: Seokheun Choi
該團隊的助理教授 Seokheun Choi 表示, 紙基電子產品有著獨特的優勢, 它靈活, 可持續, 環保, 廉價, 並且具有良好的機械, 介電以及流體性能.
微型電子產品和電池可為各種各樣的設備提供動力, 比如可攝入的醫療器件, 智能交通用感測器等. 微型電子產品和電池的迅猛發展, 帶動著電子設備設計上的創新, 也更加註重其環保性.
據估計, 未來 5 年有可能增加超 500 億的電子設備. 飛速發展的同時也會帶來一定問題, 比如由於設備壽命較短, 導致大量報廢電子設備的處理問題.
有報道認為鋰離子電池和超級電容器作為驅動有優勢, 能量密度高, 輕量化, 並且能夠整合在柔性襯底上. 但是, 鋰離子電池由不可生物降解的有毒材料製成, 並且製備工藝能耗高, 會對環境造成破壞. 而一些替代能源收集技術, 比如太陽能電池, 納米發電機以及熱電發電機, 也都使用了大量不可再生的, 難降解的重金屬和聚合物.
由此而言, Choi 團隊研發的紙電池則具有明顯的優勢, 在紙電池報廢后, 細菌會將其 '吞噬' , 實現降解.
另外, Choi 表示, '利用紙作為設備襯底的好處就是可以隨意堆疊/摺疊, 這樣能夠實現串聯或者並聯. '
Choi 團隊的工作得到了美國國家科學基金會的支援(30 萬美金). 早在 2015 年, 他們就利用自呼吸氧電極, 將鎳噴射在紙上, 研發出了一種可以摺疊成四方塊的電池(火柴盒那麼大). 該電池的總成本只有 5 美分. 他們承認紙電池提供的電力很微量, 但是能夠與細菌結合起來, 利用這些無處不在的資源製作電池是一個很棒的想法.
最近, 在美國化學會第 256 屆年會(8 月 19 日)上, Choi 報告了生物電池如何被激活, 以及它們的保質期如何提升.
細菌電池的原理是通過細菌的呼吸將儲存在有機質中的生物化學能轉化成生物能. 這個轉化過程包含了一系列反應, 這些反應發生在生物分子(電子載體)中.
Choi 團隊研發的細菌驅動的紙電池, 是在紙上放置了凍乾的 '產電菌' . 產電菌可以將電子轉移到細胞外, 與外部電極接觸從而提供電力. 為了激活電池, 他們添加了水或者唾液.
紙電池的最大功率可達 4 µW/cm2, 電流密度可達 26 µA/cm2. Choi 表示這一結果遠高於之前的紙基微生物電池. 但是, 即便如此, 動力性能仍非常低, 限制了其應用. 為了實現商業化應用, 功率/電流密度至少要提高 1000 倍以上.
其實, Choi 團隊並不是唯一在做紙基電池的研究團隊. 2017 年, 西班牙, 加拿大以及美國的研究人員紛紛報道了一種非金屬的, 可生物降解的氧化還原液流電池, 適用於便攜的一次性應用場景. 這些電池運行 100 分鐘後, 埋在土裡, 利用微生物降解處理, 類似於後院堆肥處理. Choi 表示, 這種電池的潛在劣勢在於, 生物降解性需要有利的填埋處理條件.
Choi 團隊的紙電池通過細菌吞噬實現降解, 無需填埋, 並且 Choi 表示他們最新的紙-聚合物複合生物電池在水裡很容易降解.
Choi 表示, 利用細菌驅動的紙電池, 可以將能量輸送到各個地方, 甚至是沒有電網的地方, 為發光二極體和計算器等提供動力.
此外, 革新的工程技術可用於控製紙張中纖維的直徑, 消除粗糙度, 控制透明度, 從而拓寬應用領域. 把紙與有機, 無機以及生物實體結合在一起, 拓寬了工程可能性的範圍, 也使紙有望成為研發下一代電子產品的 '可行平台' .
目前, 紙電池的儲存壽命是 4 個月. Choi 團隊在努力提升凍幹細菌的生存以及性能, 以延長壽命. 他們還申請了相關專利, 並在尋找行業合作夥伴, 推進商業化.