用細菌供電的紙電池來驅動物聯網

紐約州大電機系副教授Seokheun Choi

作者：Vincent 來源：circuitcellar

突然間，辦公室的用紙開始引人注目了，至少從電池及電子設備的觀點來說是如此。

小型化電子設備及電池的爆炸性成長，例如像是可被消化的健康照護裝置、智能運輸感測器等，使得這些裝置的設計不但更需要創意，對環境的衝擊也更令人關注。

據估計有超過500億個電子裝置會在接下來的五年內部署，許多裝置的工作壽命並不長，因此其快速失效也會造成處理及環境的問題。

因此紙質電子學不只提供了彈性、永續性、環境友善、低價等好處，還提供了有用的機械、介電、流體等特性。

紐約州大電機系副教授Seokheun Choi團隊打造了一種一次性用途的紙質電池，其原理是利用細菌產生電流，並在電池壽命結束後將電池吞食殆盡。

在《高等永續系統》(Advanced Sustainable Systems)期刊的一篇論文中，作者陳述鋰電池、超級電容雖然有高能量密度、重量輕、能整合到可撓基板等特性，但是這些材料無法生物分解，而且通常是有毒物質，其製造過程不但耗能、還可能對環境有害。

至於其它的能源搜集技術，例如太陽能電池、納米發電機、熱電發電機等等，也有許多無法再生使用、無法生物分解的重金屬及聚合物。

Choi指出，只要使用的技術夠巧妙，老式的辦公室用紙有可能提供更永續的選項。

藉助創新的工程技術，我們可以操控紙裡面的纖維素之纖維直徑、抹掉粗糙不平、控制透明度，使能實現許多應用。把紙跟有機、無機、生物材料結合，增加了更多工程上的可能性，所以下一世代的電子裝置可以用紙來做為平台。

Choi的研究有一部分的贊助金300,000美元來自於國家科學基金會，目標是結合細菌與紙，使能產生電力以及電池失效後的處理。他最早發表於2015年的研究，創造了以紙為基礎的電池。最近他在美國化學學會第256回的年會上發表的報告，描述了生物電池的啟動方式，及如何改善其保存期限。報告里還描述了如何提供隨選能源—即使是在一點電力都沒有，連發光二極體或計算器都供不起電的地方。

在實驗室中，細菌電池借呼吸把有機物質的生化能量轉變成生物能量。這道程序牽扯到由攜帶電子的生物分子所進行的一連串反應—生物分子會把電子轉移給位於端點的電子接受器，也就是陽極。

製造電池的時候，團隊把冷凍乾燥的外產電菌(Exoelectrogens)放到紙上。外產電菌能把電子傳出細胞外，電子穿越細胞膜後被外部電極捕捉，成為電池的電力來源。

要啟動電池，就把水或唾液加入以喚醒細菌。實驗室的微生物電池之最大功率是4微瓦/平方公分，電流密度是26微安/平方公分。這些值比之前的同類電池要高得多，但功率表現仍不夠好，所以實際用途有限。要能商業運用的話，功率及電流密度還得進步大約1000倍才行。

「用紙做為組件基底的美妙之處是：只要將之堆棧或折迭，便能實現串聯或並聯，」Choi指出。這時候摺紙技術可能就有特殊用處了。

Choi早期在2015年的創作就從摺紙術得到靈感，製造了一個方形火柴盒大小的電池。此電池有會呼吸的陰極，是把鎳灑布在辦公室用紙的某一邊製成的。整個組件的花費只有5美分。

紙電池的保存壽命是4個月，至於最近發展、混合紙及聚合物的生物電池可以在水裡就進行分解。雖然有其它團隊也進行類似研究，但其生物分解性並不穩定。

Choi正努力改善冷凍乾燥細菌的存活率及效能，看能否延長電池保存期限。他也提出專利，並尋求業界合作夥伴進行商業化。

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