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神奇!未来物联网的能源——纸生电

北极蚊子 2018-9-7 14:32

图:Photo: Seokheun Choi

最近,打印纸一下子火了。至少,在电子设备和电池业界火了。

从可吸收医疗设备、到智能交通所需的传感器,所有设备都需要能源,导致了微型电子设备和电池的爆炸式增长,从而也推动了设备设计方面的创新,并带来了人们,对于环境影响的忧虑。

据估计,未来5年内,可能会产生超过500亿台电子设备。许多设备的生命周期很短,这些设备的废弃,必将导致问题。

关于纸电子

纸电子能为电子工程师提供灵活、持久、环保、廉价的优势,而且拥有良好的机械性、介电性、流体性。

纽约州立大学宾汉姆顿分校电子和计算机工程学院的副教授Seokheun Choi、及其同事,创造了一种纸基的一次性电池,依靠细菌产生电流,并且由细菌在电池生命结束时吞噬电池。

作者在Advanced Sustanable Systems杂志上,发表的一篇论文中写到,锂离子电池和超级电容,能提供极高的能量密度,而且重量轻,能集成到软性基质中。

但作者还指出,锂离子电池由不可生物降解的材料制造,而且通常包含有毒物质,这些物质的制造过程,需要大量能源,并可能对环境造成破坏。

其他能源获取技术,如太阳能电池、纳米发电机、热电发电机,都包含大量不可再生、且不可降解的重金属和高分子聚合物。

Choi认为,通过某种复杂的工艺,常见的打印纸,可以提供更持久的解决方案。

利用创新的工程技术控制纸纤维,控制其平滑度和透明度,可以带来一系列应用。将纸与有机体、无机体和生物体组合,可以在工程上,创造更广泛的可能性,使得纸张成为下一代电子设备的可靠的基础。

Choi的研究,是国家科学基金会的30万美元资助的一部分,主要研究方向是在纸张中注入细菌,使其产生电流的同时将电池降解。

第一次研究成果报告,发表于2015年,团队创造了一个纸基电池。最新的研究成果,于8月19日的第256届美国化学学会全国会议上发表,描述了生物电池的激活方法、以及延长其保存时间的方法。

他的报告还解释了,如何向没有电力供应的地方,按需输送电力,以点亮一个二极管灯泡和一台电子计算器。

实验过程

在实验室中,基于细菌的电池,利用呼吸将有机物质中存储的生物化学能量,转化成生物能。该过程涉及到一连串反应,通过一种能够输送电子的生物分子系统,将电子输送到作为阳极的终端电子接收器上。

为了制造电池,研究团队将冷冻干燥的“产电菌”(exoelectrogen)放到纸上。他们解释说,产电菌是一类细菌,能够将电子搬运到它们的细胞外。电子通过细胞壁,与外界的电极接触,从而驱动电池。

为了激活电池,研究团队加入水或唾液,以激活细菌。在实验室中,这个微生物电池,能产生最大4μW/cm2的能量,电流密度为26μA/cm2,Choi认为这个结果,要比之前的纸基微生物电池“有显著提高”。但即使如此,能量效率依然“很低”,至少在目前来看,限制了它的应用范围。Choi说,为了能够商用,能量和电流密度,至少还要提高大约1000倍。

Choi说,“使用纸作为设备基质的美丽之处是,只需简单地叠放或折叠,就能造出串联或并联。”也许折纸技术能派上用场。

目前纸基电池的保存时间,大约为四个月。Choi说,他最新的纸-聚合物混合生物电池能够在水中降解。

Choi和他的同事,并不是研究纸基电池的唯一团队。2017年,来自西班牙、加拿大和美国的一个研究团队,描述了一种,不使用金属的氧化还原电池,能用于便携的一次性应用。

他们的纤维素电池,运行了100分钟之后,就被土壤中的微生物分解了,该过程类似于堆肥的原理。Choi说,这种方式可能存在的缺点,是电池的降解程度,取决于土壤的条件。

Choi目前正在努力改善条件,以增加干燥细菌的存活时间和性能,从而带来更长的保管时间。他还为电池申请了一项专利,并在寻找工业合作者,进行商业化。

评论:从原论文的摘要来看,这篇论文的主要贡献,就是创造了一种新型的、可降解的纸-聚合物,作为纸基电池的基质,从而提高纸基电池的性能,并且提高电池的性价比。

物联网的确是一项可能的应用方向,但至少目前来看,这篇论文带来的成果,并不像新闻所称的那么轰动。

不过,这个研究方向,的确是个有应用前途的方向,如果像论文作者说的那样,能够实现性能提高1000倍、并且将制造成本降低到可接受的范围,那么作为物联网的能量来源的前景不可估量。

要知道,200年前,伏打(Alessandro Volta,意大利物理学家)发明电池的时候没有人想过今天的电池甚至能够驱动汽车。今天我们也无法想象几十年后的纸基电池会发展到什么程度。不论如何,我认为可降解是纸基电池最大的优势,毕竟,是时候考虑科技、环境与人类的关系了。

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