現(xiàn)在，科學(xué)家們將細(xì)菌融入紙基電池中，已經(jīng)可以為幾十億的傳感器和設(shè)備造出廉價(jià)、持久的能源了！那么，這是一種怎樣的神奇科技？一起往下看吧！

圖：Photo: Seokheun Choi

最近，打印紙一下子火了。至少，在電子設(shè)備和電池業(yè)界火了。

從可吸收醫(yī)療設(shè)備、到智能交通所需的傳感器，所有設(shè)備都需要能源，導(dǎo)致了微型電子設(shè)備和電池的爆炸式增長(zhǎng)，從而也推動(dòng)了設(shè)備設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新，并帶來了人們，對(duì)于環(huán)境影響的憂慮。

據(jù)估計(jì)，未來5年內(nèi)，可能會(huì)產(chǎn)生超過500億臺(tái)電子設(shè)備。許多設(shè)備的生命周期很短，這些設(shè)備的廢棄，必將導(dǎo)致問題。

關(guān)于紙電子

紙電子能為電子工程師提供靈活、持久、環(huán)保、廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)，而且擁有良好的機(jī)械性、介電性、流體性。

紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的副教授Seokheun Choi、及其同事，創(chuàng)造了一種紙基的一次性電池，依靠細(xì)菌產(chǎn)生電流，并且由細(xì)菌在電池生命結(jié)束時(shí)吞噬電池。

作者在Advanced Sustanable Systems雜志上，發(fā)表的一篇論文中寫到，鋰離子電池和超級(jí)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(zhì)中。

但作者還指出，鋰離子電池由不可生物降解的材料制造，而且通常包含有毒物質(zhì)，這些物質(zhì)的制造過程，需要大量能源，并可能對(duì)環(huán)境造成破壞。

其他能源獲取技術(shù)，如太陽能電池、納米發(fā)電機(jī)、熱電發(fā)電機(jī)，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(rèn)為，通過某種復(fù)雜的工藝，常見的打印紙，可以提供更持久的解決方案。

利用創(chuàng)新的工程技術(shù)控制紙纖維，控制其平滑度和透明度，可以帶來一系列應(yīng)用。將紙與有機(jī)體、無機(jī)體和生物體組合，可以在工程上，創(chuàng)造更廣泛的可能性，使得紙張成為下一代電子設(shè)備的可靠的基礎(chǔ)。

Choi的研究，是國(guó)家科學(xué)基金會(huì)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(xì)菌，使其產(chǎn)生電流的同時(shí)將電池降解。

第一次研究成果報(bào)告，發(fā)表于2015年，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)紙基電池。最新的研究成果，于8月19日的第256屆美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)全國(guó)會(huì)議上發(fā)表，描述了生物電池的激活方法、以及延長(zhǎng)其保存時(shí)間的方法。

他的報(bào)告還解釋了，如何向沒有電力供應(yīng)的地方，按需輸送電力，以點(diǎn)亮一個(gè)二極管燈泡和一臺(tái)電子計(jì)算器。

實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)室中，基于細(xì)菌的電池，利用呼吸將有機(jī)物質(zhì)中存儲(chǔ)的生物化學(xué)能量，轉(zhuǎn)化成生物能。該過程涉及到一連串反應(yīng)，通過一種能夠輸送電子的生物分子系統(tǒng)，將電子輸送到作為陽極的終端電子接收器上。

為了制造電池，研究團(tuán)隊(duì)將冷凍干燥的“產(chǎn)電菌”（exoelectrogen）放到紙上。他們解釋說，產(chǎn)電菌是一類細(xì)菌，能夠?qū)㈦娮影徇\(yùn)到它們的細(xì)胞外。電子通過細(xì)胞壁，與外界的電極接觸，從而驅(qū)動(dòng)電池。

為了激活電池，研究團(tuán)隊(duì)加入水或唾液，以激活細(xì)菌。在實(shí)驗(yàn)室中，這個(gè)微生物電池，能產(chǎn)生最大4μW/cm2的能量，電流密度為26μA/cm2，Choi認(rèn)為這個(gè)結(jié)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(yīng)用范圍。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(shè)備基質(zhì)的美麗之處是，只需簡(jiǎn)單地疊放或折疊，就能造出串聯(lián)或并聯(lián)?！币苍S折紙技術(shù)能派上用場(chǎng)。

目前紙基電池的保存時(shí)間，大約為四個(gè)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，并不是研究紙基電池的唯一團(tuán)隊(duì)。2017年，來自西班牙、加拿大和美國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，描述了一種，不使用金屬的氧化還原電池，能用于便攜的一次性應(yīng)用。

他們的纖維素電池，運(yùn)行了100分鐘之后，就被土壤中的微生物分解了，該過程類似于堆肥的原理。Choi說，這種方式可能存在的缺點(diǎn)，是電池的降解程度，取決于土壤的條件。

Choi目前正在努力改善條件，以增加干燥細(xì)菌的存活時(shí)間和性能，從而帶來更長(zhǎng)的保管時(shí)間。他還為電池申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，并在尋找工業(yè)合作者，進(jìn)行商業(yè)化。

評(píng)論：從原論文的摘要來看，這篇論文的主要貢獻(xiàn)，就是創(chuàng)造了一種新型的、可降解的紙-聚合物，作為紙基電池的基質(zhì)，從而提高紙基電池的性能，并且提高電池的性價(jià)比。

物聯(lián)網(wǎng)的確是一項(xiàng)可能的應(yīng)用方向，但至少目前來看，這篇論文帶來的成果，并不像新聞所稱的那么轟動(dòng)。

不過，這個(gè)研究方向，的確是個(gè)有應(yīng)用前途的方向，如果像論文作者說的那樣，能夠?qū)崿F(xiàn)性能提高1000倍、并且將制造成本降低到可接受的范圍，那么作為物聯(lián)網(wǎng)的能量來源的前景不可估量。

要知道，200年前，伏打（Alessandro Volta，意大利物理學(xué)家）發(fā)明電池的時(shí)候沒有人想過今天的電池甚至能夠驅(qū)動(dòng)汽車。今天我們也無法想象幾十年后的紙基電池會(huì)發(fā)展到什么程度。不論如何，我認(rèn)為可降解是紙基電池最大的優(yōu)勢(shì)，畢竟，是時(shí)候考慮科技、環(huán)境與人類的關(guān)系了。