Paper Battery Powered by Bacteria - Jherrielloyd Yao
 |
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。
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。
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。
沒有留言:
張貼留言