細菌充電紙電池如何為物聯(lián)網(wǎng)供電

　　突然，辦公用紙開始回歸。嗯，至少就電子器件和電池領(lǐng)域來說是這樣的。

　　支持幾乎一切設(shè)備(從可攝取醫(yī)療設(shè)備到智能運輸傳感器)的小型電子器件和電池的爆炸式增長，推動了這些設(shè)備的設(shè)計創(chuàng)新，同時其對環(huán)境的影響也引發(fā)了人們的擔(dān)憂。

　　據(jù)估計，超過500億件電子設(shè)備將在接下來的五年中投入使用。其中許多設(shè)備的使用壽命很短，它們的快速廢棄將引發(fā)廢物處理問題。

　　“電紙”設(shè)備的登場，為電子工程師提供了具有靈活性、可持續(xù)性和生態(tài)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(xué)賓漢普頓分校(the State University of New York at Binghampton)電氣與計算機工程系副教授Seokheun Choi和同事們創(chuàng)造了一種以紙為基礎(chǔ)的一次性電池，用細菌產(chǎn)生電流，同時在電池壽命完結(jié)后用細菌分解電池。

　　在雜志《先進可持續(xù)系統(tǒng)》(Advanced Sustainable Systems)發(fā)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降解材料和毒性材料制成，生產(chǎn)過程往往需要消耗大量能源且對環(huán)境有潛在危害。

　　其他能量采集設(shè)備如太陽能電池、納米發(fā)電機和熱電發(fā)電機等包含大量不可再生和不可生物降解的重金屬和高分子聚合物。

　　Choi表示，一旦先進的工程技術(shù)得以應(yīng)用，傳統(tǒng)的辦公用紙可以提供一個可持續(xù)發(fā)展的選擇。

　　創(chuàng)新工程技術(shù)可以用于操控紙纖維的直徑，抹平粗糙的部分，控制透明度，使一系列的應(yīng)用成為可能。紙與有機、無機和生物材料的結(jié)合擴大了工程設(shè)計的可能性，讓紙張成為下一代電子產(chǎn)品的可行平臺。

　　Choi研究工作的部分資金來自于國家科學(xué)基金(the National Science Foundation)的一筆30萬美元的資助，研究重點在于把可以產(chǎn)生電能和處理電池的細菌結(jié)合到紙張中。他在初步工作中創(chuàng)造了一種以紙為基礎(chǔ)的電池，于2015年第一次獲得報道。他于8月19日在第256屆美國化學(xué)學(xué)會全國會議暨博覽會(the 256th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society)發(fā)布的最新報告中，描述了如何激活生物電池還有如何延長它們的保質(zhì)期。他的報告還解釋了所需的能量如何被傳遞到?jīng)]有電力的地方并為一個發(fā)光二極管和計算器供電。

　　在實驗室中，以細菌為基礎(chǔ)的電池用呼吸作用把儲存在有機物質(zhì)中的生化能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。該過程在一個以生物分子作為電子載體的系統(tǒng)中進行，包含了一系列的反應(yīng)，把電子轉(zhuǎn)移到末端電子受體，即正極上。

　　為了制造該電池，研究團隊把經(jīng)過干凍的“產(chǎn)電菌(exoelectrogens)”排布在紙上。他們解釋說，“產(chǎn)電菌”是一種可以在細胞外部轉(zhuǎn)移電子的細菌。電子從細胞膜穿過后與外部電極接觸為電池供電。

　　為激活電池，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(chǎn)生的最大功率是4μW/cm2，電流密度為26μA/cm2，Choi說這兩個參數(shù)已經(jīng)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(yīng)用，至少就目前而言。如要用于商業(yè)用途，功率/電流密度必須提高1000倍左右，Choi說。

　　“使用紙作為設(shè)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(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，”Choi說。折紙工藝將變得非常有用。

　　正如他在2015年的早期成果，Choi制造了一種由折紙啟發(fā)的電池，可以折疊成一個火柴盒大小的正方形。它采用了一種與空氣接觸的陰極，由在紙的一端噴涂鎳實現(xiàn)。這個設(shè)備的總成本是五美分。

　　這個紙電池目前的保質(zhì)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降解。

　　Choi和同事們不是唯一研究以紙為基礎(chǔ)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、可生物降解的氧化還原液流電池。他們以纖維素為基礎(chǔ)的電池工作了100分鐘后，在土壤中被微生物分解了，類似于后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，電池的可生物降解性取決于良好的垃圾填埋條件。

　　Choi目前在研究如何優(yōu)化凍干細菌的成活率和性能表現(xiàn)，使電池的保質(zhì)期更長。他還為該電池申請了專利，現(xiàn)在正在尋找商業(yè)化的合作伙伴。