鋰電池“足夠好”獲諾獎，看看另類用“愛”發電？

前幾天，瑞典皇家科學院宣布將2019年諾貝爾化學獎授予了3位鋰電池大咖，以表彰他們在鋰離子電池領域的貢獻。

鋰電池從發明到現在，已經得到了極大的發展，造福著人類社會。其中生物燃料電池作為能源家族中最特殊的一員，是一種真正意義上的綠色電池。其以有機物為燃料，直接或間接利用酶作為催化劑，能量轉化率理論上來講相當高。生物燃料電池主要是依靠電極的生物催化反應將化學染料和氧化劑轉化為電能。1911年，英國植物學家Potter用酵母菌和大腸桿菌進行試驗，并且利用微生物產生了電流，從此拉開了生物電池的研究序幕。上世紀50年代美國科學家以宇航員的生活廢棄物為原料進行研究生物燃料電池，極大的促進了生物電池的發展。此后，開發可植入人體，心臟起搏器或人工心臟等人造器官電源的生物電池引起科學家的極大研究興趣。至此，生物電池的研究進入多樣化。

下面，咱們來細數這些年報道的另類用“愛”發電的真實案例了！看看這些腦洞大開的黑科技和有趣的生物電池。

仿生電鰻電池

電鰻，素有水中“高壓線”之稱，其捕食獵物時可以輕松放出650 V以上高電壓。在2017年，弗里堡大學、加利福尼亞大學和密西根大學的研究小組從鰻魚的放電器官中獲得啟發，生物3D打印技術，制作出了由多種水凝膠構成的生物電池（Nature, 2017, (552): 214-219）。該電池可以放出超過100 V的電壓，以及其柔軟易彎曲和生物相容的特性，非常適合為心臟起搏器、植入式傳感器、假肢器官等植入式儀器提供電動力。

研究人員根據電鰻發電的原理3D打印了生物電池（如上圖），藍色的水凝膠中含有高濃度的NaCl溶液，而綠色和黃色的水凝膠分別具有正負離子選擇性，扮演著電鰻體內離子通道的作用。當上下兩層水凝膠相互接觸時，正離子和負離子經由黃綠色通道朝著相反方向流動，形成電流。這樣的612個四聚物單元可疊加形成110 V的電壓，滿足歐洲通用的電源電壓標準。另外，為了使大量的四聚物單元可以同時發出電流，研究人員改進了各色水凝膠的排列方式，并采用折疊的方式來實現所有水凝膠同時兩兩接觸，以此穩定并快速地產生高電壓電流。

糖果電池

發表在《自然通訊》雜志上的一項研究表明，一種糖生物電池可以完全將糖中的化學能量轉變為電流。?糖生物電池的能量存儲密度大約是596安培-時/千克(A-h/kg)，相比之下，鋰電池的能量存儲密度為42安培-時/公斤。這表明糖生物電池比同等重量的現有鋰電池持續使用至少10倍的時間。?

糖生物電池是一種酶催化燃料電池(EFC)，是一種發電生物化學設備，能夠將糖原和淀粉中的化學能量轉變成為電流。同時，酶催化燃料電池使用傳統燃料電池相同的工作原理，它們使用酶代替貴金屬催化劑來氧化它們的燃料。酶可以使用更復雜的燃料，例如：葡萄糖，同時，更復雜的燃料可使酶催化燃料電池具有更強的能量密度。

紙發電

2007年日本索尼公司展示了一款使用“生物電池”的隨身聽產品，這采用了一種“有機”電池，通過“消化”食物來獲得電能，就像人一樣。隨后又展示了一款更加新穎的產品——能夠“消化”廢紙并將其轉化為能源的電池。它可以分解廢紙成分的酶處理這些廢棄物并將其轉化為能源的方法。在展會演示中，這種生物電池產生的電能成功地驅動了一臺微型風扇。

這種發電的過程更像是一個消化系統。它采用的酶是木纖維質酵素，它可以將紙張中的纖維素分解為葡萄糖，而這正是索尼的這款電池可以將其轉化為能源的原料物質。

從2012年就開始立項研究“紙電池”的瑞典林雪平大學有機電子實驗室也開發了一款一塊巴掌大小，薄如紙張的“紙電池”就能存儲高達26800毫安的電量，超過15塊iPhone6電池的容量。等“紙電池”一旦成功商業化，必將引起各種便攜移動設備的大變革。

該款“紙電池”是由納米纖維素（nanocellulose），即將纖維素分解成直徑大約20nm的纖維。再將這些納米纖維素浸泡在含有帶電聚合物PEDOT:PSS的溶液中，使之與導電聚合物涂層結合封裝而成，因此創建過程中無需加入任何有毒化學物質或重金屬。而參與項目的博士Jesper Edberg稱：“覆蓋的纖維纏結在一起，空隙中的帶電聚合物液體則作為電解液”，因此這種紙電池擁有特殊的能量儲存能力。而新款紙電池的制備工作，與使用纖維紙漿的傳統紙張一樣（脫水方式相同），實驗室內就是用烤箱來脫水完成最終的制備。這樣生成的“紙電池”具有良好的延展性和可塑性，甚至可以輕松的折成千紙鶴。并且可以在幾秒內完成快速充電，并且充放電的壽命能夠達到幾千次。

汗液發電

近期，美歐國際研究團隊開發出一種獨特的可貼在皮膚上的新型柔性可伸展器件，其能通過改變汗液中的化合物產生電能，可持續點亮LED（有機發光二極管）。該團隊共同開發出一種柔性導電材料，由碳納米管、交聯聚合物和酶組成，通過可伸展的連接器連接，并通過絲網印刷直接印在材料上。跟隨皮膚變形，生物燃料電池通過減少氧氣和汗液中存在的乳酸氧化產生電能。一旦應用于手臂，其就會使用升壓器為LED持續供電。該燃料電池的生產相對簡單且便宜，主要成本是轉化汗液中化合物的酶的生產。

在此之前，就有來自美國加州大學圣地亞哥分校的研究者研制出了一種新型傳感器，它使用起來就像一個文身貼紙，可以監測人在運動過程中產生的乳酸，并利用汗液產生能量。

研究者把紋身貼紙貼在了10個健康志愿者上臂，然后讓他們在健身車上進行30分鐘阻力不斷增大的運動，同時測量設備產生的電流。這樣，研究者們就能夠在運動強度不斷改變的情況下，持續監測汗液中的乳酸水平。隨后，研究團隊又利用這些研究結果制造了一個由汗液驅動的生物電池。電池陽極上附著的酶可以乳酸分子中奪取電子，然后將電子傳遞到陰極上附著的電子受體上，從而產生電流。

2017年，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉課題組就設計一種可以利用和轉化汗液中化學能的可穿戴裝置——柔性光催化燃料電池。這種裝置的核心是光電化學電池。它由涂覆有光電催化劑的ITO/PET膜（光電陰極），汗液或生物有機廢液浸潤的纖維素膜（固體電解質）和氧還原氣體擴散電極（陽極）組成。在光激發之下，此種柔性光催化燃料電池可以在平鋪和彎曲的狀態下進行發電。當人工模擬汗液作為電解質添加到類似吸汗帶的可穿戴的柔性光催化燃料電池中時，在光照下電池可以獲得的最大功率密度為4.0 mW cm^-2?g^-1.相關論文發表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600191)上。

尿液發電

看著這個標題，讓人無限感慨化腐朽為神奇-----將尿轉為電能。只能說，尿性十強，意義重大！

對著小便池噓噓，尿液進去之后，通過某些反應，產生一定的電力，而這個電力，將用于小便池的沖水開關的觸發系統。研究者說，通常單次噓噓產生的電力，用來驅動沖水開關應該夠用，而在車站等尿源豐富的地方，如果能夠產生富余的電力，還可以收集起來用于廁所的照明之用。當然，至于如何用尿液來發電，大概原理是因為尿液中含有尿素，將尿素分解成水、氮和二氧化碳，這個過程就可以產生電力。

西英格蘭大學布里斯托生物能源大學的科研團隊做著這樣的嘗試—將尿液排放到襪子里，然后發電。這聽起來可能有點惡心，但實際情況是它并不是直接尿到襪子里，而是通過管子流到安置在襪子里的微型微生物燃料電池（MFC）里邊。目前，他們已經用這種方法成功地為一臺轉換器提供了足夠其向臺式電腦發送無線信號的電能。柔軟的MFC被安裝到輔助腳踝部件上，一種仿魚類的泵則被安置在襪子根部。當穿戴者行走的時候，推拉運動可以讓尿液經過MFC，從而生電。相關研究報告已發布在了《Bioinspiration and Biomimetics》上。

并且這也不是該團隊首次做這樣的實驗了。早在2013年，他們就曾經用MFC和尿液為一臺手機供能。團隊將這種尿液驅動襪稱為“首套通過基于微生物燃料電池技術打造的可穿戴能源發生器供能自足系統。”

有新聞報道有非洲女孩發明“尿液發電”新技術：尿液首先被添加到一個電解槽中來分離出氫氣，這些氫氣隨后就通過濾水器進行了過濾，而且其中的任何水分都能夠通過一個水硼砂構成的圓柱形裝置去除。最后一步將使用氫氣來為一臺發電機提供能源并且產生電流。一升尿液能發出可供使用6小時的電量。

3個小女孩展示她們發明的發電機

此前，也有報道西英格蘭大學鼓勵學生及教職員工多多如廁，支持自家發明的這款尿液發電機。制作團隊稱，該尿液發電機采用微生物發電，用以制成微生物燃料電池的細菌以尿液為營養源。這種廉價環保的發電方式對于貧困地區來說意義重大：夜晚供電不足導致沒有照明的公廁里極易發生搶劫及性侵事件。

科研人員制作了一個只有兩個立式小便池的簡易男廁所，小便池的下方放置了由8個電池模塊串聯組成的發電裝置，整個發電裝置包含288個微生物燃料電池，能夠容納尿液25升。廁所的小隔間內安裝了4個LED燈具（電壓3 V，總功率為1.2 W）。該實驗裝置用志愿者（學生和老師）提供的新鮮尿液作為“燃料”來驅動微生物燃料電池發電，并供給LED燈進行照明。同時，該研究小組還給手機充電，大約需要600毫升的尿液，就可以為手機充電6小時，并為手機提供通話3小時的電量。

當然，現在看這個發電裝置的效率還很低下，而且體積巨大。但我們可以期待微生物燃料電池的體積會越做越小，電池輸出功率的密度越來越高，電池成本越來越低。也許在不遠的將來，當你發現手機沒電了，或者需要照明的時候，用你自己的尿液就可以發電了。

屁發電

甲烷是一種溫室氣體，全球有 25% 的甲烷來自牛只的屁和打嗝，所以不少人鼓勵人們減少吃牛，期望可以減少溫室氣體排放。改變人類的飲食習慣并非易事，但阿根廷人就嘗試收集牛釋放的氣體用作發電。

牛每天可以排放的屁里面含有300升甲烷氣體，如果轉化成能源可供一輛汽車跑24小時。真是變廢為寶啊，迄今為止，牛是最大的甲烷氣體排放源。阿根廷5500萬頭牛都這樣收集再轉化的話，相當于多了一項綠色新能源。

頭發發電

一個尼泊爾的18歲青年人Malin Karki此前發明了一項突破性的技術，他和同學一起研制出世界首個“太陽能發絲電池板”。

利用頭發取代太陽能電池板中的硅膠成分。由于頭發的價格相對硅膠便宜很多，因此這一技術有望大幅降低太陽能成本，并給成千上萬的人送去可負擔得起的可再生能源。這款電池可以為一部手機或一包電池充電，可產生9V或18W的電量。?Karki認為，頭發中的黑色素同樣對光敏感，因此可以充當導線。

眼淚發電

愛爾蘭利莫瑞克大學科學家成功展示了一種可以發電的溶菌酶（lysozyme）。這種溶菌酶大量存在于鳥類的蛋清，哺乳類動物的眼淚、口水，以及乳汁的蛋白質中，在受到擠壓時，會因為壓電性而產生電流，俗稱壓電效應。從某種程度上實現了“用眼淚發電”。?該論文發表在Applied Physics Letters（DOI：10.1063/1.4997446）雜志上。

通過施加壓力而產生電力的能力，也稱為“直接壓電效應”。?溶菌酶晶體的壓電性不可小覷，因為它與石英屬于同一級別。它是一種無毒的生物材料，溶菌酶晶體可以很輕松的從天然材料中制造出來。壓電材料可以把作為機械能的壓力轉化為電能，也可以把電能逆轉為機械能。

口水電池

沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學畢業的賈絲廷·E·明克博士嘗試開發一種可以植入人體，安放在胰腺附近監測糖尿病人血糖水平的微型裝置。微生物燃料電池——這種通過向細菌提供有機物(唾液中也富含有機物)，利用細菌代謝產生電流的方法。與她的同時合作利用這種方法，找來高導電性的石墨烯電極，在上面附著了唾液細菌，在一周之內，這些細菌產生了1微瓦(百萬分之一瓦)的電量。雖然1微瓦看起來微不足道，卻足以驅動諸如芯片、診斷工具、或是團隊的糖尿病監測儀這樣的微型設備。

美國紐約州北部賓漢姆頓大學研究團隊也開發了可以通過唾液驅動的電池。這種“口水電池”被命名為“微生物燃料電池”（MFCs），通過特殊的細菌來驅動電流，口水便是啟動細菌的介質。

這種電池的動力主要依賴于一種名為奧奈達湖桿菌的厭氧菌。這種細菌從美國紐約的奧奈達湖湖底分離出來，能夠存活于低氧重金屬環境，并且能把金屬離子還原成金屬，常用于納米技術與廢污水處理。微生物燃料電池正是利用了它的這種特性。制作出來的電池樣品薄如紙張，陰極由硝酸銀制成，陽極為導電聚合物，中間則是冷凍干燥細菌作為儲存器。奧奈達湖桿菌能夠以葡萄糖類的有機質為食，所以口水就很適合。干燥的細菌遇到口水后就會被喚醒，開始進行呼吸作用。在細菌進行呼吸作用的過程中，就會釋放電子與質子，陰極的硝酸銀就能夠補捉到這些電子，從而產生電流。

糞便發電

其實，大家對于糞便發電并不陌生，現在國內許多農村大型養豬場等地方也利用這些畜禽糞便以及植物秸稈等產生沼氣燃燒時帶動渦輪發電機發電供用戶使用。此前報道日本一養雞場利用雞糞發電，5000萬只雞群的糞便能給1萬多戶人提供用電，每小時可傳輸6250千瓦的電力.?2016年，該廠出資65億日元，完成占地6700平方米的四層樓高生物肥料發電廠。將飼養的雞群排泄物作為發電原料。雞糞經燃燒和處理后，每小時可傳輸6250千瓦的電力。

利用家畜糞便發電，在環保上能起著很大作用。日本重視自然能源的地區如北海道，之前也在推行以牛糞來發電。

運動發電

人每天都要動，無論是走路、工作、運動，只要動，就會有輕微的電力產生。一個人產生的能量微不足道，但是地球上70億人即便僅僅是走路，其產生的能量也將會是一筆可觀的電力。于是，有人想出了利用人們走路來發電的方法。

一家拉斯維加斯名叫engoplanet的公司為其研發了一款清潔能源的路燈，其連接著裝有三個迷你發電器的的踏板。每次有人走上這個踏板的時候，就會產生5瓦左右的電量，然后就被輸送到了電池中去。美國的一家健身房就利用人們健身的時候產生的能量來為場館提供照明所需的全部電力。這種健身發電機如果20個人每天使用4個小時，一個月就能生產300多千瓦的電力。

德國的卡爾斯魯厄理工學院的科學家們也研發了兩種利用肌肉發電的方式。一種是在下肢上綁定一個發電機，其能夠利用移動磁鐵和線圈組成的感應來發電。通過感應人體重心的變化，磁鐵不斷移動，然后產生電量。另一種方式則是在鞋里面裝個液墊，通過行走液體會不斷流動，由此而在軟管內形成液壓泵。在反復的運動中，電力就產生了。其實現在生活中，許多電力自行車就是也利用同樣的原理，邊騎邊生電。

血液發電

此前有新聞報道俄羅斯有一位瘋狂的藝術家德米特里做了一個發電裝置，來為自己的音樂會提供所需電力。那這個發電裝置是由什么來驅動的呢？是血液。德米特里分批次從自己身上抽了總計4.5升的血來維持裝置的運行（真實性待考）。

目前血液發電主要有兩種方式，一種是利用血液自身的流動來發電。復旦大學就將直徑為0.8毫米的纖維植入人的血管中，然后從流動的血液中獲取能量。其把纖維插入納米管，然后在納米管的兩端連接一根銅線。在血液流過的時候，其就能夠產生電。另一種與血液流動不同，日本科學家們則采用了生化方式。其研制出了一種利用血液中的糖分來發電的燃料電池。在電池上涂上分解血液中葡萄糖的酶，葡萄糖在被分解之后會產生電子，從而產生電流。這種電池的優點是顯而易見的，只要人活著，它就一直都有電。

體熱發電

物理中有一個澤貝克效應，具體來講就是兩種不同的金屬連接起來構成一個閉合回路時，如果兩個連接點的溫度不一樣，就能產生微小的電壓。溫差越大，產生的電壓也就越大。

人是恒溫動物，在正常情況下人體和空氣中都會有一個溫度差。那么，這種溫度差就為電流的產生提供了條件。如果在皮膚的表面粘上一個微型發電機的話，電路中就會有電流出現。一款名為Lumen的體溫手電筒就已經被發明出來了。人體通過觸摸Lumen可以產生15毫安的電流，而這就已經足夠電量LED燈泡了。

2018年，中科院金屬所報道研制出能夠利用體溫發電的新材料。研究團隊預計，未來5年，這種新材料就可以實現商業化，為藍牙耳機、健康監測器、手表、智能手環等可穿戴電子設備供電。團隊開發的一款柔性、可裁剪碲化鉍/纖維素復合熱電薄膜電池，首次將高性能碲化鉍熱電材料與低成本纖維素紙進行網絡結構復合，同時具有優異的變形能力，能夠充分貼合復雜曲率變化的人體體表，并維持與周圍環境的溫差，從而提升熱能轉換效率。

由此我們要是發燒的話就不必難過了，可能別人手機沒電了的時候，你還可以因為發燒而給手機提供更多的電力……

仿耳膜發電

有美國媒體報道了一種新型的類似麥克風的系統，聽起來更像我們自己的耳朵，幾乎不需要外部電源，就可以正常發聲，并且該系統可以幫助世界上很多類似麥克風的語音響應設備在不提供外部電源下正常工作成為可能。這種新發明裝置被稱為“摩擦生電聽覺傳感器”，即一種摩擦納米發電機，它通過所謂的摩擦電效應來工作——當兩個材料表面相互摩擦時會產生電荷。雖然它們體積小，效率高，但實際上并不能產生很大的能量。重慶大學的研究人員發現，為了探測聲音，根本不需要很大的功率，這種電荷量對麥克風的正常使用已經綽綽有余。

耳朵里有耳蝸，是一種長長的封閉的管道，里面充滿了液體和運動敏感的細胞。當聲音到達耳蝸的末端時，耳蝸的不同部分會根據聲音組成的頻率而振動。 “摩擦生電聽覺傳感器”就是這樣做的，它基本上是一個由有機硬件完成的傅里葉變換。它的表面都是微小的薄膜，當聲波撞擊它們時，它們會振動，導致薄膜材料摩擦并產生少量電荷。通過記錄不同頻率撞擊不同膜引起振動而產生的不同電荷，并形成聲音圖像輸出，該裝置將其所聽到聲音的完整圖像拼湊在一起，并沒有使用任何能量，而是由納米發電機創造出的聲音，它是極其靈敏的，對聲波的敏感性非常高。

看到這，可以說為了發電，人類已經被摸遍了全身。

本文由小殤供稿。

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