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用细菌供电的纸电池来驱动物联网

本文作者: 2年前 (2018-09-06)

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用细菌供电的纸电池来驱动物联网

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突然间,办公室的用纸开始引人注目了,至少从电池及电子设备的观点来说是如此。

小型化电子设备及电池的爆炸性成长,例如像是可被消化的健康照护装置、智能运输传感器等,使得这些装置的设计不但更需要创意,对环境的冲击也更令人关注。

据估计有超过500亿个电子装置会在接下来的五年内部署,许多装置的工作寿命并不长,因此其快速失效也会造成处理及环境的问题。

因此纸质电子学不只提供了弹性、永续性、环境友善、低价等好处,还提供了有用的机械、介电、流体等特性。

纽约州大电机系副教授Seokheun Choi团队打造了一种一次性用途的纸质电池,其原理是利用细菌产生电流,并在电池寿命结束后将电池吞食殆尽。

在《高等永续系统》(Advanced Sustainable Systems)期刊的一篇论文中,作者陈述锂电池、超级电容虽然有高能量密度、重量轻、能整合到可挠基板等特性,但是这些材料无法生物分解,而且通常是有毒物质,其制造过程不但耗能、还可能对环境有害。

至于其它的能源搜集技术,例如太阳能电池、纳米发电机、热电发电机等等,也有许多无法再生使用、无法生物分解的重金属及聚合物。

Choi指出,只要使用的技术够巧妙,老式的办公室用纸有可能提供更永续的选项。

借助创新的工程技术,我们可以操控纸里面的纤维素之纤维直径、抹掉粗糙不平、控制透明度,使能实现许多应用。把纸跟有机、无机、生物材料结合,增加了更多工程上的可能性,所以下一世代的电子装置可以用纸来做为平台。

Choi的研究有一部分的赞助金300,000美元来自于国家科学基金会,目标是结合细菌与纸,使能产生电力以及电池失效后的处理。他最早发表于2015年的研究,创造了以纸为基础的电池。最近他在美国化学学会第256回的年会上发表的报告,描述了生物电池的启动方式,及如何改善其保存期限。报告里还描述了如何提供随选能源—即使是在一点电力都没有,连发光二极管或计算器都供不起电的地方。

在实验室中,细菌电池借呼吸把有机物质的生化能量转变成生物能量。这道程序牵扯到由携带电子的生物分子所进行的一连串反应—生物分子会把电子转移给位于端点的电子接受器,也就是阳极。

制造电池的时候,团队把冷冻干燥的外产电菌(Exoelectrogens)放到纸上。外产电菌能把电子传出细胞外,电子穿越细胞膜后被外部电极捕捉,成为电池的电力来源。

要启动电池,就把水或唾液加入以唤醒细菌。实验室的微生物电池之最大功率是4微瓦/平方公分,电流密度是26微安/平方公分。这些值比之前的同类电池要高得多,但功率表现仍不够好,所以实际用途有限。要能商业运用的话,功率及电流密度还得进步大约1000倍才行。

“用纸做为组件基底的美妙之处是:只要将之堆栈或折迭,便能实现串联或并联,”Choi指出。这时候折纸技术可能就有特殊用处了。

Choi早期在2015年的创作就从折纸术得到灵感,制造了一个方形火柴盒大小的电池。此电池有会呼吸的阴极,是把镍洒布在办公室用纸的某一边制成的。整个组件的花费只有5美分。

纸电池的保存寿命是4个月,至于最近发展、混合纸及聚合物的生物电池可以在水里就进行分解。虽然有其它团队也进行类似研究,但其生物分解性并不稳定。

Choi正努力改善冷冻干燥细菌的存活率及效能,看能否延长电池保存期限。他也提出专利,并寻求业界合作伙伴进行商业化。

用细菌供电的纸电池来驱动物联网

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