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2018年11月21日 星期三

Paper Battery Powered by Bacteria - Jherrielloyd Yao


來源:中国数字科技馆



细菌充电纸电池如何为物联网供电
  

突然,辦公用紙開始回歸。嗯,至少就電子器件和電池領域來說是這樣的。
  
支持幾乎一切設備(從可攝取醫療設備到智慧運輸傳感器)的小型電子器件,和電池的爆炸式成長,推動了這些設備的設計創新,同時其對環境的影響,也引發了人們的擔憂。
  
據估計,超過500億件電子設備,將在接下來的五年中投入使用。其中許多設備的使用壽命很短,它們的快速廢棄,將引發廢物處理問題。
  
「電紙」設備的登場,為電子工程師提供了具有靈活性、可持續性和生態友好性的材料,而且成本低,還有良好的機械、介電和流體特性。
紐約州立大學賓漢普頓分校,電氣與電算機工程系副教授Seokheun Choi和同事們,創造了一種以紙為基礎的一次性電池,用細菌產生電流,同時在電池壽命完結後,用細菌分解電池。
  
在Advanced Sustainable Systems雜誌上,發表的一篇論文中,作者們寫到,鋰離子電池和超級電容器,可以達到高能量密度的效果,它們重量輕,可以被整合入柔性基板中。但他們也指出鋰電池通常以非生物分解材料,和毒性材料製成,生產過程往往需要消耗大量能源,且對環境有潛在危害。
其他能量採集設備如太陽能電池、奈米發電機和熱電發電機等,包含大量不可再生,和不可生物分解的重金屬,和高分子聚合物。
  
Choi表示,一旦先進的工程技術得以應用,傳統的辦公用紙,可以提供一個可持續發展的選擇。
  
創新工程技術,可以用於操控紙纖維的直徑,抹平粗糙的部分,控制透明度,使一系列的應用成為可能。紙與有機、無機和生物材料的結合,擴大了工程設計的可能性,讓紙張成為下一代電子產品的可行平台。
  
Choi研究工作的部分資金,來自於國家科學基金(the National Science Foundation)的一筆30萬美元的資助,研究重點在於把可以產生電能和處理電池的細菌,結合到紙張中。

他在初步工作中,創造了一種以紙為基礎的電池,於2015年第一次獲得報導。他於8月19日在第256屆美國化學學會全國會議暨博覽會上,發表的最新報告中,描述了如何啟動生物電池,還有如何延長它們的有效期。

他的報告還解釋了所需的能量,如何被傳遞到沒有電力的地方,並為一個發光二極管和計算器供電。
  
在實驗室中,以細菌為基礎的電池,用呼吸作用把儲存在有機物質中的生化能,轉化為生物質能。該過程在一個以生物分子作為電子載體的系統中進行,包含了一系列的反應,把電子轉移到末端電子受體,即正極上。
  
為了製造該電池,研究團隊把經過乾凍的「產電菌(exoelectrogens)」排布在紙上。他們解釋說,「產電菌」是一種可以在細胞外部,轉移電子的細菌。電子從細胞膜穿過後,與外部電極接觸,為電池供電。
為啟動電池,研究人員加入水或唾液,兩者都讓細菌重新活過來。在實驗室中,這種微生物電池產生的最大功率是4μW/cm2,電流密度為26μA/cm2,Choi說這兩個參數已經比之前的微生物電池「明顯提高了」。

即使是這樣,功率性能還是「非常低」,限制了該電池的應用,至少就目前而言。如要用於商業用途,功率/電流密度必須提高1000倍左右,Choi說。
  
「使用紙作為設備基底的好處,就是你可以很輕易地堆疊,或者折疊它們來實現串聯或並聯,」Choi說。摺紙工藝將變得非常有用。
  
正如他在2015年的早期成果,Choi製造了一種由摺紙啓發的電池,可以折疊成一個火柴盒大小的正方形。它採用了一種與空氣接觸的陰極,由在紙的一端噴塗鎳實現。這個設備的總成本是五美分。
  
這個紙電池,目前的有效期大概是4個月。Choi說,他最新的混合紙-聚合物生物電池,在水中十分容易分解。
  
Choi和同事們不是唯一研究,以紙為基礎的電池的團隊。在2017年,來自西班牙、加拿大和美國的研究者們,描述了一種方便攜帶、一次性使用、無金屬、可生物分解的氧化還原液流電池。他們以纖維素為基礎的電池,工作了100分鐘後,在土壤中被微生物分解了,類似於後院堆肥樁的工作過程。

Choi說這種處理方式的一個潛在缺點是,電池的可生物分解性,取決於良好的垃圾填埋條件。

Choi目前正在研究,如何優化凍乾細菌的存活率和性能表現,使電池的有效期更長。他還為該電池申請了專利,現在正在尋找商業化的合作夥伴。

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