Svampesbrændselsceller Skabt med Hjælp af 3D-Print

Batterier er drivkraften bag vores teknologisk avancerede nutid og fremtid. De driver trods alt alt fra vores fjernbetjeninger, kameraer, telefoner, bærbare computere og el‑biler til udstyr, robotteknologi og energilagring.

I lyset af batteriers mange anvendelsesområder er markedets størrelse vokset til at blive vurderet til $134,62 milliarder i 2024 og forventes at udvide sig yderligere med en årlig sammensat vækstrate (CAGR) på 16,4 % inden 2030.

Efterhånden som efterspørgslen efter batterier konstant vokser, er fokus nu på at forbedre teknologien for at tilbyde højere energitæthed, bedre sikkerhed, længere levetid og kortere opladningstid.

Udover at forbedre batteriers ydeevne er der nu også større fokus på at reducere deres miljøpåvirkning. Dette skyldes den stigende e‑affald, som anslås at nå 74,7 Mt ved slutningen af dette årti på grund af bortskaffelse af elektronik med komponenter, der enten ikke nedbrydes let eller ikke er let genanvendelige.

Samtidig udtømmes ikke‑fornybare materialer hurtigt, hvilket skaber et presserende behov for nye bæredygtige energikilder, der kan behandles effektivt og har minimal påvirkning på miljøet.

For at imødekomme det hastige behov for at udvikle grøn elektronik, der bruger ikke‑giftige, mere miljøvenlige og fornybare materialer i deres komponenter, har Empa‑forskerne skabt et biologisk nedbrydeligt svampebatteri, der i stedet for at oplades skal fodres. Dette levende batteri, som er 3D‑printet, kan levere strøm til sensorer, der anvendes i landbrug eller forskning i fjerntliggende områder. Når dette svampebatteri har udført sit arbejde, fordøjer det sig selv indefra.

Disse bio‑batterier eller mikrobielle brændselsceller (MFC’er) udnytter mikroorganismers redox‑metabolisme til at skabe energi.

Mikroorganismer, der anvendes i denne type brændselsceller, metaboliserer organisk materiale såsom spildevand eller sukker, og i fravær af sådant materiale bruger de lysenergi og fotosyntese. En MFC består af en anode og en katode, som enten er adskilt af en protonudvekslingsmembran (PEM) eller er åbne i en enkelt‑kompartmentsenhed.

Udover fjernmåling og miljøovervågningsenheder er MFC’er interessante for anvendelser som bærbar elektronik og biomedicinske diagnostiske enheder. De er især gavnlige i selvstændige anvendelser, der ikke kræver adgang til hovedenerginet.

Bakterielle, alge‑ og arkæiske er nogle typer af MFC’er. Når det gælder svampe‑MFC’er, er dem med gær og hvidrådssvampe blevet studeret, men de er først nu blevet kombineret.

Svampe: Et Voksende Interessesområde

Fokus for dette treårige forskningsprojekt er svampe, som er eukaryote organismer, hvilket betyder, at deres celler har membranomsluttede organeller og tydeligt definerede kerner. Svampe tilhører ikke planteriget og adskiller sig også fra alle andre levende organismer.

Svampe er de letteste genkendelige svampe. Andre typer omfatter gær, rust, meldug og skimmelsvamp. Svampe findes faktisk overalt: i jord, luft, søer, hav, planter, dyr, fødevarer og i den menneskelige krop. Sammen med bakterier hjælper de med at nedbryde organisk materiale og frigive ilt, kulstof, fosfor og kvælstof til jorden og atmosfæren.

I vores daglige liv bruges de almindeligt til at fremstille brød, vin, øl og visse oste samt fødevarer med højt proteinindhold. Svampe bidrager også væsentligt til bekæmpelse af sygdomme, men er samtidig ansvarlige for sygdomsfremkaldende patogener.

Studier af svampe har hjulpet os med at opnå grundlæggende viden om biologi og fortsætter med at være et interessant område for forskning i celle- og molekylærbiologi, genetisk ingeniørkunst og andre grundlæggende discipliner inden for biologi.

Inden for medicin er magiske svampe af særlig interesse, fordi de indeholder psilocybin, et naturligt forekommende psykoaktivt alkaloid med hallucinerende virkninger. Som vi delte i vores seneste artikel, er der en eksplosion af forskning, der udforsker psilocybins anvendelse til behandling af mentale og psykologiske lidelser.

Svampes evne til at omdanne organisk materiale til nyttige produkter har også skabt stor interesse for svampebioteknologi, hvor de kan hjælpe med at fremme overgangen til en bio‑baseret cirkulær økonomi.

Ved at tilbyde løsninger til at sikre, stabilisere og forbedre fødevareforsyningen for den voksende menneskelige befolkning, samtidig med at drivhusgasemissionerne reduceres, har svampebioteknologi potentialet til at yde et væsentligt bidrag til bekæmpelsen af klimaforandringer.

Selvom svampe har fået stor opmærksomhed på forskellige områder, kan det samme ikke siges om materialvidenskab, hvor de forbliver underforsket og naturligvis underudnyttede, hvilket måske endelig vil ændre sig, efterhånden som forskere bruger svampe til at generere elektricitet.

Den seneste undersøgelse viser udviklingen af et fungerende svampebatteri, som, selvom det ikke producerer meget elektricitet, kan generere nok til at drive en temperatursensor i flere dage. Sådanne sensorer bruges i miljøforskning eller i landbrugssektoren.

I modsætning til traditionelle batterier er dette svampebatteri fuldstændig ikke‑giftigt og biologisk nedbrydeligt, hvilket gør det til en miljøvenlig løsning.

BioBattery: Grøn Elektronik er Her

Det organisk‑baserede batteri fra De Schweiziske Føderale Laboratorier for Materialvidenskab og Teknologi, en forskningsinstitution for anvendelsesorienteret materialvidenskab og teknologi, har lettet svampemetabolisme og tilhørende energiproduktion.

Kilde: ACS

Den levende celle her er en mikrobiel brændselscelle. Mikroorganismer, ligesom alle levende væsener, omdanner næringsstoffer til energi, og mikrobielle brændselsceller (MFC’er) udnytter også denne metabolisme til at skabe energi og derefter fange en del af den som elektricitet.

Mikrobielle brændselsceller har indtil nu primært været drevet af bakterier, men for første gang har Empa‑forskerne “kombineret to typer svampe”, hvis metabolisme fungerer meget godt sammen, “for at skabe en fungerende brændselscelle.”

Forskerne brugte en gærsvamp på anodesiden, hvor dens metabolisme frigiver elektroner, og en hvidrådssvamp blev brugt på katodesiden, hvor den producerer et specielt enzym, der muliggør indfangning af elektroner, som derefter ledes ud af cellen.

Forskerne indarbejdede svampe i batteriet som en integreret del af cellen fra starten. De brugte 3D‑print til fremstilling af komponenterne i svampebatteriet, hvilket gav dem fuld geometrisk frihed til at printe enheder i vilkårlig form og struktur, som kan integreres problemfrit med andre elektroniske komponenter.

På denne måde kunne de strukturere elektroderne på en specifik måde, så mikroorganismerne så let som muligt kan få adgang til næringsstofferne.

Nu blev dette opnået ved at blande svampceller i printerblækket. Dette betyder, at man skal overvinde udfordringen med ikke kun at finde et materiale, hvor svampene kan vokse godt, men også at ekstrudere blæk uden at dræbe cellerne.

“Selvfølgelig ønsker vi, at det skal være elektrisk ledende og biologisk nedbrydeligt.”

– Gustav Nyström, leder af Cellulose‑ og Træmaterialelaboratoriet

For at gøre dem elektrisk ledende tilsatte teamet kulsort og grafitflager til blækkene.

Med omfattende erfaring i 3D‑print af bløde, bio‑baserede materialer var teamet i stand til at producere et cellulose‑baseret blæk (hydrogel‑svampeblæk), som var egnet til opgaven. Undersøgelsen bemærkede, at brug af cellulose til 3D‑print af svampeelektroder er en ny måde at kanalisere svampenes metaboliske aktivitet til potentiel anvendelse i elektrokemiske enheder.

Cellulose er en rigelig, lavpris, fornybar og biologisk nedbrydelig polymer, der udvindes fra alger, bakterier, træ og tunikater. Den er faktisk blevet brugt med succes til fremstilling af forskellige typer organisk‑baseret elektronik.

Svampcellerne kan endda bruge cellulose som næringsstof, hvilket hjælper med at nedbryde batteriet efter brug. Deres primære kilde til næringsstoffer var dog simple sukkerarter, som tilsættes senere til battericellerne.

“Du kan opbevare svampebatterierne i en tør tilstand og aktivere dem på stedet ved blot at tilsætte vand og næringsstoffer.”

– Empa‑forsker Carolina Reyes, en uddannet mikrobiolog

Ifølge undersøgelsen kan disse biobatterier producere 300 til 600 mV i flere dage. Ved at forbinde fire batterier parallelt kan en lille sensor drives i 65 timer.

Teamet havde udviklet materialer, blæk og enheder i deres tidligere arbejde for en ny gren af grøn elektronik, herunder displays, sensorer, batterier og superkondensatorer. Med denne undersøgelse udvidede de mulighederne for, hvad de opnåede i deres tidligere eksperimenter, hvor de leverede enheder, der kunne lagre elektrisk energi og generere energi i et miljømæssigt sikkert system.

I den næste fase har forskerne til mål at gøre svampebatteriet mere kraftfuldt og længerevarende samt gøre enheden fuldt 3D‑printbar. De vil også undersøge andre typer svampe, der er bedre egnet til formålet med at levere elektricitet og gøre deres enhed klar til brug i praktiske anvendelser i felten.

Lad os nu se på nogle nøglespillere inden for batteri‑ og 3D‑printmarkedet.

1. Proto Labs, Inc.

En leverandør af omfattende digitale fremstillingstjenester, Proto Labs (PRLB ) specialiserer sig i avanceret fremstilling og 3D‑printtjenester for at bygge skræddersyede dele til sine kunder.

Proto Labs startede i år med at udvide til fuldserviceproduktion, som virksomheden kalder “en naturlig udvikling”. Dette vil betyde bedre kvalitetskontrol og bedre prisoptioner, mens de fokuserer på branchecertificeringer, så virksomheden kan betjene kunder fra start til slut. Initiativtageren til denne udvidelse, Eric Utley, 3D‑print‑applikationsingeniør hos Proto Labs, sagde, at det var 3D Hubs‑opkøbet i 2021, der udvidede deres løsningsportefølje.

I takt med at bæredygtighed bliver en presserende global bekymring, og alle fra forbrugere, virksomheder og reguleringsmyndigheder arbejder på at reducere deres miljøaftryk ved at vælge genbrugsmaterialer, har Proto Labs også introduceret plastmaterialer fremstillet med genbrugsindhold i deres CNC‑udbud. Dette giver brugerne mulighed for at undgå brug af jomfruelige materialer til prototyper uden ekstra omkostninger.

Med en markedsværdi på $937,75 millioner handles Proto Labs’ aktier i øjeblikket til $38,26, ned 2,12 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 0,94 og en P/E (TTM) på 40,69.

For Q3 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $125,6 millioner, et fald på 3,9 % sammenlignet med rekordomsætningen på $130,7 millioner i samme kvartal året før. Nettoresultatet for kvartalet var $7,2 millioner. Samtidig var driftskontantstrømmen den højeste siden 2020, før Proto Labs erhvervede 3D Hubs.

Det tredje kvartals non‑GAAP indtjening per aktie var $0,47, mens den justerede EPS år‑til‑dato er rapporteret at være steget med over 10 % år‑over‑år på stabil omsætning. I alt betjente Protolabs 22.511 kundekontakter. Kontant‑ og investeringsbalancen pr. 30. september 2024 var $117,6 millioner.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Den Kina‑baserede BYD beskæftiger sig primært med fremstilling og salg af transportudstyr, men er også involveret i produktion af genopladelige batterier, fotovoltaiske produkter og elektroniske enheder til daglig brug.

Med en markedsværdi på $105,57 milliarder handles BYD‑aktier i øjeblikket til $33,33, ned 1,99 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 1,66 og en P/E (TTM) på 20,08, mens udbytteafkastet er 1,31 %.

Ifølge de seneste offentliggjorte data rangerer BYD som nummer to med en andel på 23,19 % af den installerede kapacitet for kraftbatterier i Kina, som nåede 17,49 GWh. De samlede kraftbatteri‑installeringer i landet udgjorde imidlertid 75,4 GWh, en stigning på 57,3 % år‑over‑år. For hele 2024 placerede BYD sig som nummer to med en andel på 24,74 %, mens CATL fastholdt sin position med en andel på 45,08 %.

Som førende producent af genopladelige batterier tilbyder BYD lithium‑ion‑batterier, NiMH‑batterier og NCM‑batterier, som har en bred vifte af anvendelser, herunder forbrugerelektronik, nye energikøretøjer og energilagring. Det kritiske punkt er, at virksomheden ejer hele forsyningskæden, hvilket giver bedre kontrol over kvalitet og omkostninger.

BYD er nu klar til at lancere den nye generation af Blade‑batteriet til el‑biler i år, som vil blive brugt i virksomhedens fremtidige køretøjer. Den første generation af Blade‑batteriet blev introduceret af BYD allerede i 2020, og den nuværende generation bruges af BYD til at drive deres el‑biler samt af andre bilproducenter som Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia og Hyundai.

I sammenligning med konventionelle lithium‑ion‑batterier er disse lithium‑ion‑fosfat (LFP) batterier mere omkostningseffektive og har hjulpet BYD med at introducere budget‑EV‑modeller, der har fremmet deres vækst. Den næste generation af Blade‑batterier vil blive endnu mere kompakte, effektive, sikre og tilbyde længere rækkevidde.

Når det gælder virksomhedens bilforretning, solgte BYS i sidste år et rekordstort antal el‑biler og hybridbiler globalt, mens dens største rival, Tesla, solgte 4,3 millioner. Kinas bedst‑sælgende bilproducent solgte faktisk 1,76 millioner rene el‑biler i 2024, mens den står over for hård konkurrence på hjemmemarkedet, som er blevet fremdrevet af hundredvis af milliarder dollars i statslige subsidier i løbet af det sidste årti.

Hvad angår virksomhedens indtægter, så rapporterede den kinesiske el‑bilproducent, som stoppede produktionen af benzinmotor‑køretøjer i 2022, en stigning på 11,5 % i nettoresultatet, som nåede $1,63 milliarder, mens omsætningen steg 24 % år‑over‑år til $28,24 milliarder for Q3 2024.

Konklusion

Batterier, en vigtig komponent i nutidens elektronik samt el‑biler, intuitive mobilnetværk og dyb‑rum‑missioner, driver den teknologiske revolution. Dog kræver den hastigt voksende e‑affald og de aftagende ikke‑fornybare materialer, at vi udvikler produkter baseret på fornybare naturressourcer, hvilket bliver et fokusområde, som vi i dag har set med forskere, der vender sig mod organiske materialer som svampe for at bygge batterier.

Svampe, som i lang tid har beriget livet på Jorden og formet vores fremtid, har oplevet en stigende interesse takket være deres rolle som ledere inden for genanvendelse og materialetransformation. De tilbyder løsninger til at gøre den grønne omstilling til en bio‑baseret cirkulær økonomi, ved at introducere nye koncepter for at sikre menneskers, planters og dyrs sundhed.

Selvom svampe er blevet udforsket og anvendt inden for landbrug, medicin og bioteknologi, markerer den seneste undersøgelse et stort skridt fremad inden for materialvidenskab og mikrobiel elektrokemi. Den gør dette ved at bruge miljøvenlige materialer i konstruktionen og skabe muligheder for at 3D‑print forskellige cellulose‑baserede svampeelektroder til brug i mikrobielle brændselsceller.

Gennembrud som disse tackler presserende miljøudfordringer og åbner nye muligheder for at designe bio‑baserede, højtydende energilagringssystemer, hvilket hjælper os med at komme tættere på at opnå en virkelig bæredygtig og cirkulær økonomi.

Klik her for en liste over de bedste batteriaktier.