美国科学家造出细菌充电纸电池 可为物联网供电

2019-10-08      387 次浏览

两个月前,来自纽约州立大学的研究人员展示了他们在由细菌驱动的突破性纸电池上的工作。


“纸张作为生物传感器的材料具有独特的优势,”研究员SeokheunChoi解释说,“它便宜,一次性,柔韧,并具有利用率极高的表面积。然而,复杂的传感器需要电源。商业电池太浪费且昂贵,并且它们不能集成到纸基材中。最好的解决方案是纸质生物电池。”


突然,办公用纸开始回归。嗯,至少就电子器件和电池领域来说是这样的。


支持几乎一切设备(从可摄取医疗设备到智能运输传感器)的小型电子器件和电池的爆炸式增长,推动了这些设备的设计创新,同时其对环境的影响也引发了人们的担忧。


据估计,超过500亿件电子设备将在接下来的五年中投入使用。其中许多设备的使用寿命很短,它们的快速废弃将引发废物处理问题。


“电纸”设备的登场,为电子工程师提供了具有灵活性、可持续性和生态友好性的材料,而且成本低,还有良好的机械、介电和流体特性。


纽约州立大学宾汉普顿分校(theStateUniversityofNewYorkatBinghampton)电气与计算机工程系副教授SeokheunChoi和同事们创造了一种以纸为基础的一次性电池,用细菌产生电流,同时在电池寿命完结后用细菌分解电池。


在杂志《先进可持续系统》(AdvancedSustainableSystems)发表的一篇论文中,作者们写到,锂离子电池和超级电容器可以达到高能量密度的效果,它们重量轻,可以被整合入柔性基板中。但他们也指出锂电池通常以非生物降解材料和毒性材料制成,生产过程往往需要消耗大量能源且对环境有潜在危害。


其他能量采集设备如太阳能电池、纳米发电机和热电发电机等包含大量不可再生和不可生物降解的重金属和高分子聚合物。


Choi表示,一旦先进的工程技术得以应用,传统的办公用纸可以提供一个可持续发展的选择。


创新工程技术可以用于操控纸纤维的直径,抹平粗糙的部分,控制透明度,使一系列的应用成为可能。纸与有机、无机和生物材料的结合扩大了工程设计的可能性,让纸张成为下一代电子产品的可行平台。


Choi研究工作的部分资金来自于国家科学基金(theNationalScienceFoundation)的一笔30万美元的资助,研究重点在于把可以产生电能和处理电池的细菌结合到纸张中。他在初步工作中创造了一种以纸为基础的电池,于2015年第一次获得报道。他于8月19日在第256届美国化学学会全国会议暨博览会(the256thNationalMeeting&ExpositionoftheAmericanChemicalSociety)发布的最新报告中,描述了如何激活生物电池还有如何延长它们的保质期。他的报告还解释了所需的能量如何被传递到没有电力的地方并为一个发光二极管和计算器供电。


目前细菌在冷冻干燥状态下可存活约4个月,研究人员继续寻找延长新纸电池保质期的方法。Choi已申请电池专利,并正在寻求行业合作伙伴的商业化。迄今为止的研究由国家科学基金会,海军研究办公室和纽约州立大学研究基金会资助。


在实验室中,以细菌为基础的电池用呼吸作用把储存在有机物质中的生化能转化为生物质能。该过程在一个以生物分子作为电子载体的系统中进行,包含了一系列的反应,把电子转移到末端电子受体,即正极上。


为了制造该电池,研究团队把经过干冻的“产电菌(exoelectrogens)”排布在纸上。他们解释说,“产电菌”是一种可以在细胞外部转移电子的细菌。电子从细胞膜穿过后与外部电极接触为电池供电。


为激活电池,研究人员加入水或唾液,两者都让细菌重新活过来。在实验室中,这种微生物电池产生的最大功率是4µW/cm2,电流密度为26µA/cm2,Choi说这两个参数已经比之前的微生物电池“明显提高了”。即使是这样,功率性能还是“非常低”,限制了该电池的应用,至少就目前而言。如要用于商业用途,功率/电流密度必须提高1000倍左右,Choi说。


“使用纸作为设备基底的好处就是你可以很轻易地堆叠或者折叠它们来实现串联或并联,”Choi说。折纸工艺将变得非常有用。


正如他在2015年的早期成果,Choi制造了一种由折纸启发的电池,可以折叠成一个火柴盒大小的正方形。它采用了一种与空气接触的阴极,由在纸的一端喷涂镍实现。这个设备的总成本是五美分。


这个纸电池目前的保质期大概是4个月。Choi说,他最新的混合纸-聚合物生物电池在水中十分容易降解。


Choi和同事们不是唯一研究以纸为基础的电池的团队。在2017年,来自西班牙、加拿大和美国的研究者们描述了一种方便携带、一次性使用、无金属、可生物降解的氧化还原液流电池。他们以纤维素为基础的电池工作了100分钟后,在土壤中被微生物分解了,类似于后院堆肥桩的工作过程。Choi说这种处理方式的一个潜在缺点是,电池的可生物降解性取决于良好的垃圾填埋条件。


Choi目前在研究如何优化冻干细菌的成活率和性能表现,使电池的保质期更长。他还为该电池申请了专利,现在正在寻找商业化的合作伙伴。


本文摘自:环球科学、电缆网


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