新型紙電池：竟然是由細菌提供能量！

導讀

紙電子，是最近剛剛興起的一項前沿創新技術。然而，賓漢姆頓大學和紐約州立大學研究人員，設計了一種存在於一張紙上，由細菌提供能量的電池。今天，John一邊帶大家走近紙電子技術，一邊了解這項創新發明。

（圖片來源於：Seokheun）

先從紙電子說起

紙張，是我們生活中十分熟悉的事物，從紙幣到紙巾再到書本，都不開紙。造紙術是中國四大發明之一，紙是中國古代勞動人民的智慧結晶，人類文明史上的一項傑出的發明創造。

然而，紙張和電子又會有什麼聯繫呢？

目前，很多電子設備正在擺脫過去僵硬笨重的形象，走向柔性、可摺疊、輕量、生物可降解的新形態。然而，紙張正好具備了這些特性，而且也是一種可再生的資源。同時，根據製造工藝的不同，紙張可以又有一些列特性，例如可以親水或疏水，多孔或水密，不透明的或幾乎透明等等。

紙張材料和電子相結合，就產生了紙電子產品。紙電子，可以做到十分廉價。紙張本來就很便宜，成本相對於塑料薄膜、硅等材料來說都很便宜。紙材料在電子領域應用廣泛，例如電子紙（一種紙張上的顯示設備），除此之外還有感測器、生物分析、射頻天線、電池、電路板或者智能包裝標籤的基板。在未來幾年，我們還有望在消費電子領域，看到基於紙張技術的電子小產品。

下面舉幾個例子說明紙電子的相關應用（有圖有真相）：

晶體管：柔性紙基板上的晶體管，使用有機或者無機半導體通道。這個示意圖展示了製造一個有機開關的方法。

（圖片來源於：Emily Cooper）

紙張可以用於顯示設備，反射入射光線，或者發出自己的光線。一種進行顯示的方法就是改變液體像素的表面張力。

（圖片來源於: Duk-Young Kim/Andrew J. Steckl/辛辛那提大學）

有機發光二極體也可以在紙張基板上構造，使得顯示器發光。

（圖片來源於: Jin-Young Kim/成均館大學）

輸送液體:這些基礎的微流體感測器，位於濾紙上。直接通道導致原型感測器區域在二氧化氮下而變紅。

（圖片來源於: Xu Li/Wei Shen/莫納什大學）

紙電源:位於紙基質上的柔性、可摺疊的太陽能陣列，使用汽相澱積法。這些太陽能陣列結合了五層，使用有機光伏材料，將光線轉化為電力。

（圖片來源於: Patrick Gillooly/麻省理工學院）

這項新發明和紙電子技術

這項新發明的領頭人，是托馬斯·沃森工程和應用科學學院，電氣和計算機工程系的助理教授 Seokheun "Sean" Choi，他同時也是賓漢姆頓大學生物電子和微系統實驗室的主任。

這項研究結合了生物技術和紙電子技術，能夠給一次性電子設備供電，它減少了製造的時間和成本，同時徹底改變了生物電池的用途，讓它可在遠程、危險和資源受限的區域作為電源使用。

對於電子紙技術，研究的領頭人Choi 教授這麼說：

「Papertronics(紙電子)，最近剛剛興起，它是一種簡單且低成本的方式，為一次性醫療檢驗感測器供電。這種獨立的、自我維持的、紙基的檢驗設備，能夠在資源受限的環境中，提供有效的救生治療。」

這種紙電池的製造方法和原理

Choi 和博士生 Yang Gao，在半張色層分析紙上，將呈帶狀的硝酸銀放置在一層薄薄的蠟下面，製造出正極。他們兩人隨後設計了一個位於半張紙上的由導電聚合物組成的容器，作為負極，然後將紙摺疊後，添加幾滴充滿細菌的液體，細菌細胞通過呼吸作用給電池供電。

Choi 說：

「設備分為幾層，由正極、負極、PEM（質子交換膜）組成，最終，電池需要手工集成，會存在潛在的問題例如紙層的錯位和幾層之間的垂直不連續性，最終會降低發電量。」

不同的摺疊和堆疊方法，可以顯著提高能量和電流輸出。科學家通過讓六個電池三行排列能夠產生31.51毫瓦的電壓和125.53微安的電流，以及通過六個電池六行排列的能夠產生44.85毫瓦的電壓和105.89微安的電流。

細菌紙電池的用途

點亮一盞40瓦的燈泡，可能需要幾百萬張紙電池。但是，在戰場或者災害環境下，可用性和便攜性是最重要的。另外，這些紙電池產生的能量足以為生物感測器供電，這些生物感測器可用於監測糖尿病人的血糖級別，體內的病原體或者提供其他救生功能。還有就是，這種微生物電池還可以起到凈化環境的作用，因為微生物可以分解污染物。

Choi 說：

「在許多柔性和綜合的紙基電池中間，紙基微生物燃料電池技術，目前尚不發達。我們對此感到興奮，因為微生物可從任何形式的可降解源獲取能量，例如污水。我們相信這種類型的紙基生物電池可以成為未來紙電子的能量源。」

研究的發表和相關研究

（圖片來源於：Seokheun）

這項創新，是Choi 關於紙電池開發的最新進展。他的團隊於2015年開發了紙電池原型，這是一種可摺疊的電池，就像紙板火柴一樣。今年早些時候，他們的設計受到了忍者飛鏢的啟發。

目前這項研究在《先進材料技術》雜誌上在線發表，將在2017年1月22日到26日拉斯維加斯召開的IEEE MEMS會議上發表。

參考資料

【1】http://www.binghamton.edu/mpr/news-releases/index.html?id=2467

【2】Yang Gao, Seokheun Choi.Stepping Toward Self-Powered Papertronics: Integrating Biobatteries into a Single Sheet of Paper. Advanced Materials Technologies, 2016; 1600194 DOI: 10.1002/admt.201600194