電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
兩個月前，來自紐約州立大學的研究人員展示了他們在由細菌驅動的沖破性紙電池上的工作。
“紙張作為生物傳感器的材料具有神奇的優點，”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，復雜的傳感器需要電源。商業電池太浪費且昂貴，并且它們不能集成到紙基材中。最好的處理方案是紙質生物電池。”
猛然，辦公用紙開始回歸。嗯，至少就電子器件和電池范疇來說是這樣的。
支持幾乎一切設備（從可攝取醫療設備到智能運輸傳感器）的小型電子器件和電池的爆炸式增長，推動了這些設備的設計創新，同時其對環境的影響也引發了人們的擔憂。
據估計，超過500億件電子設備將在接下來的五年中投入使用。其中許多設備的使用壽命很短，它們的快速廢棄將引發廢物解決問題。
“電紙”設備的登場，為電子工程師提供了具有靈活性、可繼續性和生態友好性的材料，而且成本低，還有良好的機械、介電和流體特性。
紐約州立大學賓漢普頓分校（theStateUniversityofNewYorkatBinghampton）電氣與計算機工程系副教授SeokheunChoi和同事們創造了一種以紙為基礎的一次性電池，用細菌萌生電流，同時在電池壽命完結后用細菌分析電池。
在雜志《先進可繼續系統》（AdvancedSustainableSystems）發表的一篇論文中，作者們寫到，鋰電池和超級電容器可以達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。但他們也指出鋰離子電池通常以非生物降解材料和毒性材料制成，加工過程往往需要消耗大量能源且對環境有潛在危害。
其他能量采集設備如太陽能電池、納米發電機和熱電發電機等蘊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，一旦先進的工程技術得以使用，傳統的辦公用紙可以提供一個可繼續發展的選擇。
創新工程技術可以用于操控紙纖維的直徑，抹平粗糙的部分，控制透亮度，使一系列的使用成為可能。紙與有機、無機和生物材料的結合張大了工程設計的可能性，讓紙張成為下一代電子產品的可行平臺。
Choi研究工作的部分資金來自于國家科學基金（theNationalScienceFoundation）的一筆30萬美元的資助，研究重點在于把可以萌生電能和解決電池的細菌結合到紙張中。他在初步工作中創造了一種以紙為基礎的電池，于2015年第一次獲得報道。他于8月19日在第256屆美國化學學會全國會議暨博覽會（the256thNationalMeeting&ExpositionoftheAmericanChemicalSociety）發布的最新報告中，描述了要怎么樣激活生物電池還有要怎么樣延長它們的保質期。他的報告還解釋了所需的能量要怎么樣被傳遞到沒有電力的地方并為一個發光二極管和計算器供電。
目前細菌在冷凍干燥狀態下可存活約4個月，研究人員持續尋找延長新紙電池保質期的辦法。Choi已申請電池專利，并正在尋求行業合作伙伴的商業化。迄今為止的研究由國家科學基金會，海軍研究辦公室和紐約州立大學研究基金會資助。
在試驗室中，以細菌為基礎的電池用呼吸作用把儲存在有機物質中的生化能轉化為生物質能。該過程在一個以生物分子作為電子載體的系統中進行，蘊含了一系列的反應，把電子轉移到末端電子受體，即正極上。
為了制造該電池，研究團隊把經過干凍的“產電菌（exoelectrogens）”排布在紙上。他們解釋說，“產電菌”是一種可以在細胞外部轉移電子的細菌。電子從細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，兩者都讓細菌重新活過來。在試驗室中，這種微生物電池萌生的最大功率是4μW/cm2，電流密度為26μA/cm2，Choi說這兩個參數已經比之前的微生物電池“分明提高了”。即使是這樣，功率性能還是“非常低”，限制了該電池的使用，至少就目前而言。如要用于商業用途，功率/電流密度非得提高1000倍左右，Choi說。
“使用紙作為設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現串聯或并聯，”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的電池，可以折疊成一個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現。這個設備的總成本是五美分。
這個紙電池目前的保質期大概是4個月。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的電池的團隊。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的電池工作了100分鐘后，在土壤中被微生物分析了，類似于后院堆肥樁的工作過程。Choi說這種解決方式的一個潛在缺點是，電池的可生物降解性取決于良好的垃圾填埋條件。
Choi目前在研究要怎么樣優化凍干細菌的成活率和性能表現，使電池的保質期更長。他還為該電池申請了專利，今朝正在尋找商業化的合作伙伴。
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