細(xì)菌供電的紙電池如何驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)？

突然間，辦公室的用紙開始引人注目了，至少從電池及電子設(shè)備的觀點(diǎn)來說是如此。小型化電子設(shè)備及電池的爆炸性成長，例如像是可被消化的健康照護(hù)裝置、智能運(yùn)輸傳感器等，使得這些裝置的設(shè)計(jì)不但更需要創(chuàng)意，對環(huán)境的沖擊也更令人關(guān)注。

紐約州大電機(jī)系副教授Seokheun Choi

據(jù)估計(jì)有超過500億個電子裝置會在接下來的五年內(nèi)部署，許多裝置的工作壽命并不長，因此其快速失效也會造成處理及環(huán)境的問題。因此紙質(zhì)電子學(xué)不只提供了彈性、永續(xù)性、環(huán)境友善、低價等好處，還提供了有用的機(jī)械、介電、流體等特性。紐約州大電機(jī)系副教授Seokheun Choi團(tuán)隊(duì)打造了一種一次性用途的紙質(zhì)電池，其原理是利用細(xì)菌產(chǎn)生電流，并在電池壽命結(jié)束后將電池吞食殆盡。

在《高等永續(xù)系統(tǒng)》(Advanced Sustainable Systems)期刊的一篇論文中，作者陳述鋰電池、超級電容雖然有高能量密度、重量輕、能整合到可撓基板等特性，但是這些材料無法生物分解，而且通常是有毒物質(zhì)，其制造過程不但耗能、還可能對環(huán)境有害。至于其它的能源搜集技術(shù)，例如太陽能電池、納米發(fā)電機(jī)、熱電發(fā)電機(jī)等等，也有許多無法再生使用、無法生物分解的重金屬及聚合物。Choi指出，只要使用的技術(shù)夠巧妙，老式的辦公室用紙有可能提供更永續(xù)的選項(xiàng)。

借助創(chuàng)新的工程技術(shù)，我們可以操控紙里面的纖維素之纖維直徑、抹掉粗糙不平、控制透明度，使能實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用。把紙跟有機(jī)、無機(jī)、生物材料結(jié)合，增加了更多工程上的可能性，所以下一世代的電子裝置可以用紙來做為平臺。

Choi的研究有一部分的贊助金300,000美元來自于國家科學(xué)基金會，目標(biāo)是結(jié)合細(xì)菌與紙，使能產(chǎn)生電力以及電池失效后的處理。他最早發(fā)表于2015年的研究，創(chuàng)造了以紙為基礎(chǔ)的電池。最近他在美國化學(xué)學(xué)會第256回的年會上發(fā)表的報(bào)告，描述了生物電池的啟動方式，及如何改善其保存期限。報(bào)告里還描述了如何提供隨選能源—即使是在一點(diǎn)電力都沒有，連發(fā)光二極管或計(jì)算器都供不起電的地方。在實(shí)驗(yàn)室中，細(xì)菌電池借呼吸把有機(jī)物質(zhì)的生化能量轉(zhuǎn)變成生物能量。

這道程序牽扯到由攜帶電子的生物分子所進(jìn)行的一連串反應(yīng)—生物分子會把電子轉(zhuǎn)移給位于端點(diǎn)的電子接受器，也就是陽極。制造電池的時候，團(tuán)隊(duì)把冷凍干燥的外產(chǎn)電菌(Exoelectrogens)放到紙上。外產(chǎn)電菌能把電子傳出細(xì)胞外，電子穿越細(xì)胞膜后被外部電極捕捉，成為電池的電力來源。要啟動電池，就把水或唾液加入以喚醒細(xì)菌。實(shí)驗(yàn)室的微生物電池之最大功率是4微瓦/平方公分，電流密度是26微安/平方公分。這些值比之前的同類電池要高得多，但功率表現(xiàn)仍不夠好，所以實(shí)際用途有限。要能商業(yè)運(yùn)用的話，功率及電流密度還得進(jìn)步大約1000倍才行?！坝眉堊鰹榻M件基底的美妙之處是：只要將之堆?；蛘鄣隳軐?shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，”Choi指出。這時候折紙技術(shù)可能就有特殊用處了。

Choi早期在2015年的創(chuàng)作就從折紙術(shù)得到靈感，制造了一個方形火柴盒大小的電池。此電池有會呼吸的陰極，是把鎳灑布在辦公室用紙的某一邊制成的。整個組件的花費(fèi)只有5美分。紙電池的保存壽命是4個月，至于最近發(fā)展、混合紙及聚合物的生物電池可以在水里就進(jìn)行分解。雖然有其它團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行類似研究，但其生物分解性并不穩(wěn)定。

Choi正努力改善冷凍干燥細(xì)菌的存活率及效能，看能否延長電池保存期限。他也提出專利，并尋求業(yè)界合作伙伴進(jìn)行商業(yè)化。