來自紐約州立大學(xué)的研究人員展示了他們?cè)谟杉?xì)菌驅(qū)動(dòng)的突破性紙電池上的工作。

“紙張作為生物傳感器的材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢，”研究員SeokheunChoi解釋說，“它便宜，一次性，柔韌，并具有利用率極高的表面積。然而，復(fù)雜的傳感器需要電源。商業(yè)電池太浪費(fèi)且昂貴，并且它們不能集成到紙基材中。最好的解決方案是紙質(zhì)生物電池?！?br/>

突然，辦公用紙開始回歸。嗯，至少就電子器件和電池領(lǐng)域來說是這樣的。

支持幾乎一切設(shè)備（從可攝取醫(yī)療設(shè)備到智能運(yùn)輸傳感器）的小型電子器件和電池的爆炸式增長，推動(dòng)了這些設(shè)備的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，同時(shí)其對(duì)環(huán)境的影響也引發(fā)了人們的擔(dān)憂。

據(jù)估計(jì)，超過500億件電子設(shè)備將在接下來的五年中投入使用。其中許多設(shè)備的使用壽命很短，它們的快速廢棄將引發(fā)廢物處理問題。

“電紙”設(shè)備的登場，為電子工程師提供了具有靈活性、可持續(xù)性和生態(tài)友好性的材料，而且成本低，還有良好的機(jī)械、介電和流體特性。

紐約州立大學(xué)賓漢普頓分校（theStateUniversityofNewYorkatBinghampton）電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授SeokheunChoi和同事們創(chuàng)造了一種以紙為基礎(chǔ)的一次性電池，用細(xì)菌產(chǎn)生電流，同時(shí)在電池壽命完結(jié)后用細(xì)菌分解電池。

在雜志《先進(jìn)可持續(xù)系統(tǒng)》（AdvancedSustainableSystems）發(fā)表的一篇論文中，作者們寫到，鋰離子電池和超級(jí)電容器可以達(dá)到高能量密度的效果，它們重量輕，可以被整合入柔性基板中。但他們也指出鋰電池通常以非生物降解材料和毒性材料制成，生產(chǎn)過程往往需要消耗大量能源且對(duì)環(huán)境有潛在危害。

其他能量采集設(shè)備如太陽能電池、納米發(fā)電機(jī)和熱電發(fā)電機(jī)等包含大量不可再生和不可生物降解的重金屬和高分子聚合物。

Choi表示，一旦先進(jìn)的工程技術(shù)得以應(yīng)用，傳統(tǒng)的辦公用紙可以提供一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的選擇。

創(chuàng)新工程技術(shù)可以用于操控紙纖維的直徑，抹平粗糙的部分，控制透明度，使一系列的應(yīng)用成為可能。紙與有機(jī)、無機(jī)和生物材料的結(jié)合擴(kuò)大了工程設(shè)計(jì)的可能性，讓紙張成為下一代電子產(chǎn)品的可行平臺(tái)。

Choi研究工作的部分資金來自于國家科學(xué)基金（theNationalScienceFoundation）的一筆30萬美元的資助，研究重點(diǎn)在于把可以產(chǎn)生電能和處理電池的細(xì)菌結(jié)合到紙張中。他在初步工作中創(chuàng)造了一種以紙為基礎(chǔ)的電池，于2015年第一次獲得報(bào)道。他于8月19日在第256屆美國化學(xué)學(xué)會(huì)全國會(huì)議暨博覽會(huì)（the256thNationalMeeting&ExpositionoftheAmericanChemicalSociety）發(fā)布的最新報(bào)告中，描述了如何激活生物電池還有如何延長它們的保質(zhì)期。他的報(bào)告還解釋了所需的能量如何被傳遞到?jīng)]有電力的地方并為一個(gè)發(fā)光二極管和計(jì)算器供電。

目前細(xì)菌在冷凍干燥狀態(tài)下可存活約4個(gè)月，研究人員繼續(xù)尋找延長新紙電池保質(zhì)期的方法。Choi已申請(qǐng)電池專利，并正在尋求行業(yè)合作伙伴的商業(yè)化。迄今為止的研究由國家科學(xué)基金會(huì)，海軍研究辦公室和紐約州立大學(xué)研究基金會(huì)資助。

在實(shí)驗(yàn)室中，以細(xì)菌為基礎(chǔ)的電池用呼吸作用把儲(chǔ)存在有機(jī)物質(zhì)中的生化能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。該過程在一個(gè)以生物分子作為電子載體的系統(tǒng)中進(jìn)行，包含了一系列的反應(yīng)，把電子轉(zhuǎn)移到末端電子受體，即正極上。

為了制造該電池，研究團(tuán)隊(duì)把經(jīng)過干凍的“產(chǎn)電菌（exoelectrogens）”排布在紙上。他們解釋說，“產(chǎn)電菌”是一種可以在細(xì)胞外部轉(zhuǎn)移電子的細(xì)菌。電子從細(xì)胞膜穿過后與外部電極接觸為電池供電。

為激活電池，研究人員加入水或唾液，兩者都讓細(xì)菌重新活過來。在實(shí)驗(yàn)室中，這種微生物電池產(chǎn)生的最大功率是4μW/cm2，電流密度為26μA/cm2，Choi說這兩個(gè)參數(shù)已經(jīng)比之前的微生物電池“明顯提高了”。即使是這樣，功率性能還是“非常低”，限制了該電池的應(yīng)用，至少就目前而言。如要用于商業(yè)用途，功率/電流密度必須提高1000倍左右，Choi說。

“使用紙作為設(shè)備基底的好處就是你可以很輕易地堆疊或者折疊它們來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，”Choi說。折紙工藝將變得非常有用。

正如他在2015年的早期成果，Choi制造了一種由折紙啟發(fā)的電池，可以折疊成一個(gè)火柴盒大小的正方形。它采用了一種與空氣接觸的陰極，由在紙的一端噴涂鎳實(shí)現(xiàn)。這個(gè)設(shè)備的總成本是五美分。

這個(gè)紙電池目前的保質(zhì)期大概是4個(gè)月。Choi說，他最新的混合紙-聚合物生物電池在水中十分容易降解。

Choi和同事們不是唯一研究以紙為基礎(chǔ)的電池的團(tuán)隊(duì)。在2017年，來自西班牙、加拿大和美國的研究者們描述了一種方便攜帶、一次性使用、無金屬、可生物降解的氧化還原液流電池。他們以纖維素為基礎(chǔ)的電池工作了100分鐘后，在土壤中被微生物分解了，類似于后院堆肥樁的工作過程。Choi說這種處理方式的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是，電池的可生物降解性取決于良好的垃圾填埋條件。

Choi目前在研究如何優(yōu)化凍干細(xì)菌的成活率和性能表現(xiàn)，使電池的保質(zhì)期更長。他還為該電池申請(qǐng)了專利，現(xiàn)在正在尋找商業(yè)化的合作伙伴。