口香糖纸电池 由细菌充电的纸电池 可以为物联网设备供电

2018-09-24 - 纸电池

办公用纸突然之间有了别的用途!是的,这新的用途与电子产品和电池相关。

可为从可摄入的医疗保健设备到智能交通传感器的各种设备提供动力的微型电子产品和电池的爆炸式增长,正在驱动着这些设备的设计创新,并引发了对它们的环境影响的担忧。

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据估计,在未来五年内可能会部署超过500亿个电子设备。其中很多电子设备的使用寿命很短,它们的快速淘汰会带来废弃物处理问题。

研究人员把目光转向了纸电池。纸电池为电子工程师们提供的好处很多,包括灵活性、可持续性、生态友好性、低成本以及有用的机械、绝缘及和流体特性等。

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纽约州立大学宾厄姆顿分校电气与计算机工程系副教授Seokheun Choi及其同事发明了一种一次性纸电池,它依靠细菌来产生电流及在电池的使用寿命结束时将电池吞食掉。

在发表在Advanced Sustainable Systems期刊上的一篇论文中,作者写道,锂离子电池和超级电容器具有高能量密度,它们重量轻,能够集成到柔性基板中。但同时也指出,锂离子电池是用不可生物降解的、往往有毒的材料制成的,这些材料往往需要以能源密集且可能对环境造成破坏的制造工艺制造。

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诸如太阳能电池、纳米发电机和热电发电机等替代性能源收集技术包含大量不可再生的和不可生物降解的重金属和聚合物。

Choi认为,一旦使用上一些复杂的工程技术,古老的办公用纸可能会为我们提供一个更具可持续性的选择。

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创新的工程技术可用于控制纸张纤维素纤维的直径,降低粗糙度和控制透明度,从而实现多种应用。将纸张与有机、无机和生物实体相结合,拓宽了工程可能性的范围,使纸张成为下一代电子产品的可行平台。

Choi的工作所获得的资助部分来自美国国家科学基金会(资助额度为30万美元),这部分资金主要用于研究如何将细菌整合到纸张中,以发电和对电池进行降解。Choi最初的工作于2015年被首次报道,那时就发明出了纸质电池。

在他最近的报告(发表在8月19日在美国化学学会第256届全国会议和博览会上)中,介绍了如何激活生物电池以及如何延长其保存期限。他的报告还解释了在即使没有电力为发光二极管和电子计算器供电的地方如何按需提供能源。

在实验室中,基于细菌的电池通过细菌的呼吸将存储在有机物质中的生化能量转换为生物能量。该过程涉及借助电子——载体生物分子系统的级联反应,将电子转移至末端电子受体(即阳极)。

为了制造电池,研究小组将冷冻干燥的"产电菌群"放在纸上。他们解释说,产电菌群是一种可以将电子转移到细胞外的细菌。电子穿过细胞膜并与外部电极接触以为电池供电。

为了激活电池,研究人员添加了水或唾液,两者都能使细菌恢复活力。在实验室中,微生物电池产生的最大功率为4μW/ cm 2,电流密度为26μA/ cm 2,Choi称这比以前的纸质微生物电池的功能性能"明显更高"。

即便如此,这样的功率性能还是"非常低",限制了它们的应用,至少目前是如此。Choi表示,为了商业化使用,功率/电流密度必须提高约1,000倍。

"使用纸张作为设备基板的美妙之处在于,您可以简单地将它们堆叠或折叠以进行串行或并行连接",Choi说。折纸技术可能特别有用。

作为他2015年早期作品的一部分,Choi创造了一款折纸式电池,这款电池可以折叠成一个与火柴盒大小相当的正方形。它使用了一个吸气阴极,用镍喷在一张办公用纸的一面。该设备的总成本为5美分。

纸电池目前的保质期约为四个月。Choi说,他最新的混合型纸——聚合物生物电池很容易在水中分解。

Choi和他的同事并不是唯一一个研究纸质电池的人。2017年,来自西班牙、加拿大和美国的研究人员介绍了一种可便携式一次性应用的无金属的和可生物降解的氧化还原液流电池。在纤维素基电池运行100分钟后,它被微生物一类似于后院堆肥堆的工作方式在土壤中处理掉。Choi说,这种方法的潜在缺点是电池的生物降解性取决于有利的垃圾填埋条件。

Choi致力于改善冻干细菌的生存和产能,延长保质期。他还申请了电池专利,并正在寻求商业上的合作伙伴。

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