盤點未來物聯網新能源——紙基電池

2020-11-28 電子發燒友

盤點未來物聯網新能源——紙基電池

胡薇 發表於 2018-09-11 17:46:17

現在，科學家們將細菌融入紙基電池中，已經可以為幾十億的傳感器和設備造出廉價、持久的能源了！那麼，這是一種怎樣的神奇科技？一起往下看吧！

圖：Photo: Seokheun Choi

最近，列印紙一下子火了。至少，在電子設備和電池業界火了。

從可吸收醫療設備、到智能交通所需的傳感器，所有設備都需要能源，導致了微型電子設備和電池的爆炸式增長，從而也推動了設備設計方面的創新，並帶來了人們，對於環境影響的憂慮。

據估計，未來5年內，可能會產生超過500億臺電子設備。許多設備的生命周期很短，這些設備的廢棄，必將導致問題。

關於紙電子

紙電子能為電子工程師提供靈活、持久、環保、廉價的優勢，而且擁有良好的機械性、介電性、流體性。

紐約州立大學賓漢姆頓分校電子和計算機工程學院的副教授Seokheun Choi、及其同事，創造了一種紙基的一次性電池，依靠細菌產生電流，並且由細菌在電池生命結束時吞噬電池。

作者在Advanced Sustanable Systems雜誌上，發表的一篇論文中寫到，鋰離子電池和超級電容，能提供極高的能量密度，而且重量輕，能集成到軟性基質中。

但作者還指出，鋰離子電池由不可生物降解的材料製造，而且通常包含有毒物質，這些物質的製造過程，需要大量能源，並可能對環境造成破壞。

其他能源獲取技術，如太陽能電池、納米發電機、熱電發電機，都包含大量不可再生、且不可降解的重金屬和高分子聚合物。

Choi認為，通過某種複雜的工藝，常見的列印紙，可以提供更持久的解決方案。

利用創新的工程技術控制紙纖維，控制其平滑度和透明度，可以帶來一系列應用。將紙與有機體、無機體和生物體組合，可以在工程上，創造更廣泛的可能性，使得紙張成為下一代電子設備的可靠的基礎。

Choi的研究，是國家科學基金會的30萬美元資助的一部分，主要研究方向是在紙張中注入細菌，使其產生電流的同時將電池降解。

第一次研究成果報告，發表於2015年，團隊創造了一個紙基電池。最新的研究成果，於8月19日的第256屆美國化學學會全國會議上發表，描述了生物電池的激活方法、以及延長其保存時間的方法。

他的報告還解釋了，如何向沒有電力供應的地方，按需輸送電力，以點亮一個二極體燈泡和一臺電子計算器。

實驗過程

在實驗室中，基於細菌的電池，利用呼吸將有機物質中存儲的生物化學能量，轉化成生物能。該過程涉及到一連串反應，通過一種能夠輸送電子的生物分子系統，將電子輸送到作為陽極的終端電子接收器上。

為了製造電池，研究團隊將冷凍乾燥的「產電菌」（exoelectrogen）放到紙上。他們解釋說，產電菌是一類細菌，能夠將電子搬運到它們的細胞外。電子通過細胞壁，與外界的電極接觸，從而驅動電池。

為了激活電池，研究團隊加入水或唾液，以激活細菌。在實驗室中，這個微生物電池，能產生最大4µW/cm2的能量，電流密度為26µA/cm2，Choi認為這個結果，要比之前的紙基微生物電池「有顯著提高」。但即使如此，能量效率依然「很低」，至少在目前來看，限制了它的應用範圍。Choi說，為了能夠商用，能量和電流密度，至少還要提高大約1000倍。

Choi說，「使用紙作為設備基質的美麗之處是，只需簡單地疊放或摺疊，就能造出串聯或並聯。」也許摺紙技術能派上用場。

目前紙基電池的保存時間，大約為四個月。Choi說，他最新的紙-聚合物混合生物電池能夠在水中降解。

Choi和他的同事，並不是研究紙基電池的唯一團隊。2017年，來自西班牙、加拿大和美國的一個研究團隊，描述了一種，不使用金屬的氧化還原電池，能用於便攜的一次性應用。

他們的纖維素電池，運行了100分鐘之後，就被土壤中的微生物分解了，該過程類似於堆肥的原理。Choi說，這種方式可能存在的缺點，是電池的降解程度，取決於土壤的條件。

Choi目前正在努力改善條件，以增加乾燥細菌的存活時間和性能，從而帶來更長的保管時間。他還為電池申請了一項專利，並在尋找工業合作者，進行商業化。

評論：從原論文的摘要來看，這篇論文的主要貢獻，就是創造了一種新型的、可降解的紙-聚合物，作為紙基電池的基質，從而提高紙基電池的性能，並且提高電池的性價比。

物聯網的確是一項可能的應用方向，但至少目前來看，這篇論文帶來的成果，並不像新聞所稱的那麼轟動。

不過，這個研究方向，的確是個有應用前途的方向，如果像論文作者說的那樣，能夠實現性能提高1000倍、並且將製造成本降低到可接受的範圍，那麼作為物聯網的能量來源的前景不可估量。

要知道，200年前，伏打（Alessandro Volta，義大利物理學家）發明電池的時候沒有人想過今天的電池甚至能夠驅動汽車。今天我們也無法想像幾十年後的紙基電池會發展到什麼程度。不論如何，我認為可降解是紙基電池最大的優勢，畢竟，是時候考慮科技、環境與人類的關係了。

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