圖：Photo: Seokheun Choi

最近，打印紙一下子火了。至少，在電子設備和電池業界火了。

從可吸收醫療設備、到智能交通所需的傳感器，所有設備都需要能源，導緻了微型電子設備和電池的爆炸式增長，從而也推動了設備設計方麵的創新，並帶來了人們，對於環境影響的憂慮。

據估計，未來5年內，可能會産生超過500億臺電子設備。許多設備的生命周期很短，這些設備的廢棄，必將導緻問題。

關於紙電子

紙電子能為電子工程師提供靈活、持久、環保、廉價的優勢，而且擁有良好的機械性、介電性、流體性。

紐約州立大學賓漢姆頓分校電子和計算機工程學院的副教授Seokheun Choi、及其同事，創造了一種紙基的一次性電池，依靠細菌産生電流，並且由細菌在電池生命結束時吞噬電池。

作者在Advanced Sustanable Systems雜誌上，發錶的一篇論文中寫到，鋰離子電池和超級電容，能提供極高的能量密度，而且重量輕，能集成到軟性基質中。

但作者還指出，鋰離子電池由不可生物降解的材料製造，而且通常包含有毒物質，這些物質的製造過程，需要大量能源，並可能對環境造成破壞。

其他能源獲取技術，如太陽能電池、納米發電機、熱電發電機，都包含大量不可再生、且不可降解的重金屬和高分子聚合物。

Choi認為，通過某種複雜的工藝，常見的打印紙，可以提供更持久的解決方案。

利用創新的工程技術控製紙纖維，控製其平滑度和透明度，可以帶來一係列應用。將紙與有機體、無機體和生物體組合，可以在工程上，創造更廣泛的可能性，使得紙張成為下一代電子設備的可靠的基礎。

Choi的研究，是國家科學基金會的30萬美元資助的一部分，主要研究方嚮是在紙張中註入細菌，使其産生電流的同時將電池降解。

第一次研究成果報告，發錶於2015年，團隊創造了一個紙基電池。最新的研究成果，於8月19日的第256屆美國化學學會全國會議上發錶，描述了生物電池的激活方法、以及延長其保存時間的方法。

他的報告還解釋了，如何嚮冇有電力供應的地方，按需輸送電力，以點亮一個二極管燈泡和一臺電子計算器。

實驗過程

在實驗室中，基於細菌的電池，利用呼吸將有機物質中存儲的生物化學能量，轉化成生物能。該過程涉及到一連串反應，通過一種能夠輸送電子的生物分子係統，將電子輸送到作為陽極的終端電子接收器上。

為了製造電池，研究團隊將冷凍幹燥的“産電菌”（exoelectrogen）放到紙上。他們解釋說，産電菌是一類細菌，能夠將電子搬運到它們的細胞外。電子通過細胞壁，與外界的電極接觸，從而驅動電池。

為了激活電池，研究團隊加入水或唾液，以激活細菌。在實驗室中，這個微生物電池，能産生最大4μW/cm2的能量，電流密度為26μA/cm2，Choi認為這個結果，要比之前的紙基微生物電池“有顯著提高”。但即使如此，能量效率依然“很低”，至少在目前來看，限製了它的應用範圍。Choi說，為了能夠商用，能量和電流密度，至少還要提高大約1000倍。

Choi說，“使用紙作為設備基質的美麗之處是，隻需簡單地疊放或摺疊，就能造出串聯或並聯。”也許摺紙技術能派上用場。

目前紙基電池的保存時間，大約為四個月。Choi說，他最新的紙-聚合物混合生物電池能夠在水中降解。

Choi和他的同事，並不是研究紙基電池的唯一團隊。2017年，來自西班牙、加拿大和美國的一個研究團隊，描述了一種，不使用金屬的氧化還原電池，能用於便攜的一次性應用。

他們的纖維素電池，運行了100分鍾之後，就被土壤中的微生物分解了，該過程類似於堆肥的原理。Choi說，這種方式可能存在的缺點，是電池的降解程度，取決於土壤的條件。

Choi目前正在努力改善條件，以增加幹燥細菌的存活時間和性能，從而帶來更長的保管時間。他還為電池申請了一項專利，並在尋找工業合作者，進行商業化。