神奇！未来物联网的能源——纸生电

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。