由細(xì)菌充電的紙電池，可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電

辦公用紙突然之間有了別的用途！是的，這新的用途與電子產(chǎn)品和電池相關(guān)。

可為從可攝入的醫(yī)療保健設(shè)備到智能交通傳感器的各種設(shè)備提供動(dòng)力的微型電子產(chǎn)品和電池的爆炸式增長(zhǎng)，正在驅(qū)動(dòng)著這些設(shè)備的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，并引發(fā)了對(duì)它們的環(huán)境影響的擔(dān)憂。

據(jù)估計(jì)，在未來(lái)五年內(nèi)可能會(huì)部署超過(guò)500億個(gè)電子設(shè)備。其中很多電子設(shè)備的使用壽命很短，它們的快速淘汰會(huì)帶來(lái)廢棄物處理問(wèn)題。

研究人員把目光轉(zhuǎn)向了紙電池。紙電池為電子工程師們提供的好處很多，包括靈活性、可持續(xù)性、生態(tài)友好性、低成本以及有用的機(jī)械、絕緣及和流體特性等。

紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授SeokheunChoi及其同事發(fā)明了一種一次性紙電池，它依靠細(xì)菌來(lái)產(chǎn)生電流及在電池的使用壽命結(jié)束時(shí)將電池吞食掉。

在發(fā)表在AdvancedSustainableSystems期刊上的一篇論文中，作者寫(xiě)道，鋰離子電池和超級(jí)電容器具有高能量密度，它們重量輕，能夠集成到柔性基板中。但同時(shí)也指出，鋰離子電池是用不可生物降解的、往往有毒的材料制成的，這些材料往往需要以能源密集且可能對(duì)環(huán)境造成破壞的制造工藝制造。

諸如太陽(yáng)能電池、納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)等替代性能源收集技術(shù)包含大量不可再生的和不可生物降解的重金屬和聚合物。

Choi認(rèn)為，一旦使用上一些復(fù)雜的工程技術(shù)，古老的辦公用紙可能會(huì)為我們提供一個(gè)更具可持續(xù)性的選擇。

創(chuàng)新的工程技術(shù)可用于控制紙張纖維素纖維的直徑，降低粗糙度和控制透明度，從而實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。將紙張與有機(jī)、無(wú)機(jī)和生物實(shí)體相結(jié)合，拓寬了工程可能性的范圍，使紙張成為下一代電子產(chǎn)品的可行平臺(tái)。

Choi的工作所獲得的資助部分來(lái)自美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（資助額度為30萬(wàn)美元），這部分資金主要用于研究如何將細(xì)菌整合到紙張中，以發(fā)電和對(duì)電池進(jìn)行降解。Choi最初的工作于2015年被首次報(bào)道，那時(shí)就發(fā)明出了紙質(zhì)電池。在他最近的報(bào)告（發(fā)表在8月19日在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)第256屆全國(guó)會(huì)議和博覽會(huì)上）中，介紹了如何激活生物電池以及如何延長(zhǎng)其保存期限。他的報(bào)告還解釋了在即使沒(méi)有電力為發(fā)光二極管和電子計(jì)算器供電的地方如何按需提供能源。

在實(shí)驗(yàn)室中，基于細(xì)菌的電池通過(guò)細(xì)菌的呼吸將存儲(chǔ)在有機(jī)物質(zhì)中的生化能量轉(zhuǎn)換為生物能量。該過(guò)程涉及借助電子——載體生物分子系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，將電子轉(zhuǎn)移至末端電子受體（即陽(yáng)極）。

為了制造電池，研究小組將冷凍干燥的“產(chǎn)電菌群”放在紙上。他們解釋說(shuō)，產(chǎn)電菌群是一種可以將電子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外的細(xì)菌。電子穿過(guò)細(xì)胞膜并與外部電極接觸以為電池供電。

為了激活電池，研究人員添加了水或唾液，兩者都能使細(xì)菌恢復(fù)活力。在實(shí)驗(yàn)室中，微生物電池產(chǎn)生的最大功率為4μW/cm2，電流密度為26μA/cm2，Choi稱這比以前的紙質(zhì)微生物電池的功能性能“明顯更高”。即便如此，這樣的功率性能還是“非常低”，限制了它們的應(yīng)用，至少目前是如此。Choi表示，為了商業(yè)化使用，功率/電流密度必須提高約1,000倍。

“使用紙張作為設(shè)備基板的美妙之處在于，您可以簡(jiǎn)單地將它們堆疊或折疊以進(jìn)行串行或并行連接”，Choi說(shuō)。折紙技術(shù)可能特別有用。

作為他2015年早期作品的一部分，Choi創(chuàng)造了一款折紙式電池，這款電池可以折疊成一個(gè)與火柴盒大小相當(dāng)?shù)恼叫?。它使用了一個(gè)吸氣陰極，用鎳噴在一張辦公用紙的一面。該設(shè)備的總成本為5美分。

紙電池目前的保質(zhì)期約為四個(gè)月。Choi說(shuō)，他最新的混合型紙——聚合物生物電池很容易在水中分解。

Choi和他的同事并不是唯一一個(gè)研究紙質(zhì)電池的人。2017年，來(lái)自西班牙、加拿大和美國(guó)的研究人員介紹了一種可便攜式一次性應(yīng)用的無(wú)金屬的和可生物降解的氧化還原液流電池。在纖維素基電池運(yùn)行100分鐘后，它被微生物一類似于后院堆肥堆的工作方式在土壤中處理掉。Choi說(shuō)，這種方法的潛在缺點(diǎn)是電池的生物降解性取決于有利的垃圾填埋條件。

Choi致力于改善凍干細(xì)菌的生存和產(chǎn)能，延長(zhǎng)保質(zhì)期。他還申請(qǐng)了電池專利，并正在尋求商業(yè)上的合作伙伴。