Schimmelfuelcellen Gecreëerd met Hulp van 3D-Printen

Batterijen zijn de drijvende kracht achter ons technologisch geavanceerde heden en toekomst. Tenslotte leveren ze stroom aan alles, van onze afstandsbedieningen, camera's, telefoons, laptops en elektrische voertuigen tot apparatuur, robotica en energieopslag.

Gezien de uiteenlopende toepassingen van batterijen, is de marktgrootte gegroeid tot een waarde van $134.62 miljard in 2024 en wordt verwacht dat deze verder zal uitbreiden met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 16.4% tegen 2030.

Nu de vraag naar batterijen gestaag groeit, ligt de focus op het verbeteren van de technologie om een hogere energiedichtheid, betere veiligheid, langere levensduur en kortere oplaadtijd te bieden.

Naast het verbeteren van de prestaties van batterijen, ligt de nadruk nu ook meer op het verminderen van hun milieu-impact. Dit komt door de toenemende e-waste, die naar schatting 74.7 Mt zal bereiken tegen het einde van dit decennium door het weggooien van elektronica met componenten die niet gemakkelijk afbreken of niet gemakkelijk recyclebaar zijn.

Tegelijkertijd slinken niet‑hernieuwbare materialen snel, wat een dringende behoefte creëert aan nieuwe duurzame energiebronnen die efficiënt kunnen worden verwerkt en een minimale impact op het milieu hebben.

Om te voldoen aan de snelle behoefte aan groene elektronica die niet‑giftige, milieuvriendelijkere en hernieuwbare materialen in hun componenten gebruiken, hebben Empa‑onderzoekers een biologisch afbreekbare schimmelbatterij gecreëerd die, in plaats van op te laden, gevoed moet worden. Deze levende batterij, die 3D‑geprint is, kan stroom leveren aan sensoren die in de landbouw of onderzoek in afgelegen gebieden worden gebruikt. Zodra deze schimmelbatterij zijn taak heeft voltooid, verteert hij zichzelf van binnenuit.

Deze bio‑batterij of microbiële brandcellen (MFC's) gebruiken het redox‑metabolisme van micro‑organismen om energie te genereren.

Micro‑organismen die in dit soort brandcellen worden gebruikt, metaboliseren organisch materiaal zoals afvalwater of suikers en, bij afwezigheid daarvan, gebruiken ze lichtenergie en fotosynthese. Een MFC bestaat uit een anode en een kathode, en deze zijn ofwel gescheiden door een protonuitwisselingsmembraan (PEM) of open gelaten in een enkel‑compartiment apparaat.

Naast toepassingen voor remote sensing en milieumonitoring, zijn MFC's interessant voor draagbare elektronica en biomedische diagnostische apparaten. Ze zijn vooral voordelig in zelfstandige toepassingen die geen toegang tot het hoofd‑energiemidden nodig hebben.

Bacteriële, algaal‑ en archaea‑typen zijn enkele soorten MFC's. Wat schimmel‑MFC's betreft, zijn die met gist en witte‑rottschimmels bestudeerd, maar ze zijn tot nu toe nog niet gecombineerd.

Schimmels: Een Groeiende Interessegebied

De focus van dit drie‑jarige onderzoeksproject ligt op schimmels, die eukaryote organismen zijn, wat betekent dat hun cellen membraan‑gebonden organellen en duidelijk gedefinieerde kernen hebben. Schimmels vallen niet onder het plantenrijk en onderscheiden zich ook van alle andere levende organismen.

Paddestoelen zijn de meest gemakkelijk herkenbare schimmels. Andere typen omvatten gisten, roestschimmels, meeldauw en schimmels. Schimmels zijn eigenlijk overal: in de bodem, lucht, meren, zeeën, planten, dieren, voedsel en het menselijk lichaam. Samen met bacteriën helpen ze organisch materiaal af te breken en zuurstof, koolstof, fosfor en stikstof vrij te geven in de bodem en de atmosfeer.

In ons dagelijks leven worden ze vaak gebruikt om brood, wijn, bier en bepaalde kazen te maken, evenals voedingsmiddelen met een hoog eiwitgehalte. Schimmels leveren ook belangrijke bijdragen aan de bestrijding van ziekten, maar zijn tegelijkertijd verantwoordelijk voor ziekteverwekkende pathogenen.

Studies naar schimmels hebben ons geholpen fundamentele kennis van de biologie te verwerven en blijven een interessegebied voor het bestuderen van cel‑ en moleculaire biologie, genetische engineering en andere basisdisciplines van de biologie.

In de medische sector zijn magische paddestoelen van bijzonder belang vanwege hun psilocybine, een natuurlijk voorkomend psychoactief alkaloïde dat hallucinogene effecten heeft. Zoals we in ons recente artikel deelden, is er een explosie van onderzoek die de toepassing van psilocybine onderzoekt om mentale en psychologische aandoeningen te behandelen.

Het vermogen van schimmels om organisch materiaal om te zetten in bruikbare producten heeft ook veel interesse gewekt in schimmelbiotechnologie, waar ze kunnen bijdragen aan de overgang naar een bio‑gebaseerde circulaire economie.

Door oplossingen te bieden voor het veiligstellen, stabiliseren en verbeteren van de voedselvoorziening voor de groeiende menselijke bevolking, terwijl de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd, heeft schimmelbiotechnologie het potentieel om een significante bijdrage te leveren aan de mitigatie van klimaatverandering.

Hoewel schimmels veel aandacht krijgen in verschillende gebieden, kan hetzelfde niet gezegd worden over het vakgebied materiaalkunde, waar ze onder‑onderzocht en uiteraard onder‑gebruikt blijven, wat uiteindelijk kan veranderen nu onderzoekers schimmels gebruiken om elektriciteit op te wekken.

De laatste studie toont de ontwikkeling van een functionerende schimmelbatterij, die, hoewel hij niet veel elektriciteit produceert, genoeg kan genereren om een temperatuursensor enkele dagen van stroom te voorzien. Dit soort sensoren wordt gebruikt in milieuger onderzoek of in de landbouwsector.

In tegenstelling tot traditionele batterijen is deze schimmelbatterij volledig niet‑giftig en biologisch afbreekbaar, waardoor het een milieuvriendelijke optie is.

BioBatterij: Groene Elektronica is Hier

De organisch‑gebaseerde batterij van de Zwitserse Federale Laboratoria voor Materiaalkunde en Technologie, een onderzoeksinstelling voor toepassingsgerichte materiaalkunde en technologie, heeft het schimmelmetabolisme en de bijbehorende energieopwekking mogelijk gemaakt.

Bron: ACS

De levende cel hier is een microbiële brandcel. Micro‑organismen, net als elk levend wezen, zetten voedingsstoffen om in energie, en microbiële brandcellen (MFC's) gebruiken dit metabolisme ook om energie te creëren en vervolgens een deel ervan als elektriciteit vast te leggen.

Microbiële brandcellen werden tot nu toe voornamelijk aangedreven door bacteriën, toen Empa‑onderzoekers voor het allereerste keer “twee soorten schimmels combineerden” waarvan het metabolisme zeer goed samenwerkt “om een functionerende brandcel te creëren”.

De onderzoekers gebruikten een gistschimmel aan de anodeskant, waar het metabolisme elektronen vrijgeeft, en een witte‑rottschimmel werd gebruikt aan de kathodeskant, waar het een speciaal enzym produceert dat het vastleggen van elektronen mogelijk maakt en vervolgens uit de cel wordt geleid.

De onderzoekers hebben schimmels vanaf het begin als een integraal onderdeel van de batterij in de cel geïntegreerd. Ze gebruikten 3D‑printen om de componenten van de schimmelbatterij te vervaardigen, wat hen volledige geometrische vrijheid gaf om apparaten van willekeurige vorm en vorm te printen die naadloos kunnen worden geïntegreerd met andere elektronische componenten.

Op deze manier konden ze de elektroden op een specifieke manier structureren zodat micro‑organismen zo gemakkelijk mogelijk toegang hebben tot de voedingsstoffen.

Nu werd dit bereikt door schimmelcellen in de printinkt te mengen. Dit betekent dat men de uitdaging overwint om niet alleen een materiaal te vinden waarin de schimmels goed kunnen groeien, maar ook de inkt te extruderen zonder de cellen te doden.

“Natuurlijk willen we dat het elektrisch geleidend en biologisch afbreekbaar is.”

– Gustav Nyström, Hoofd van het Cellulose‑ en Houtmaterialenlab

Om ze elektrisch geleidend te maken, voegde het team koolstofzwart en grafietvlokken toe aan de inkten.

Met uitgebreide ervaring in 3D‑printen van zachte, bio‑gebaseerde materialen kon het team een cellulose‑gebaseerde inkt (hydrogel‑schimmelinkten) produceren die geschikt was voor de taak. De studie merkte op dat het gebruik van cellulose voor 3D‑printen van schimmel‑elektroden een nieuwe manier is om de metabole activiteit van schimmels te kanaliseren voor potentieel gebruik in elektrochemische apparaten.

Cellulose is een overvloedige, goedkope, hernieuwbare en biologisch afbreekbare polymeer die wordt afgeleid van algen, bacteriën, hout en tuniaten. Het is daadwerkelijk succesvol gebruikt bij het maken van verschillende soorten organisch‑gebaseerde elektronica.

De schimmelcellen kunnen zelfs de cellulose als voedingsstof gebruiken, wat helpt de batterij na gebruik af te breken. Hun belangrijkste bron van voedingsstoffen waren echter eenvoudige suikers, die later aan de batterijkellen worden toegevoegd.

“Je kunt de schimmelbatterijen in een gedroogde staat opslaan en ter plaatse activeren door simpelweg water en voedingsstoffen toe te voegen.”

– Empa‑onderzoeker Carolina Reyes, een opgeleide microbiologe

Volgens de studie kunnen deze biobatterijen 300 tot 600 mV produceren gedurende meerdere dagen. Door vier batterijen parallel te schakelen, kan een kleine sensor 65 uur van stroom worden voorzien.

Het team had in eerdere werken materialen, inkten en apparaten ontwikkeld voor een nieuwe tak van groene elektronica, waaronder displays, sensoren, batterijen en supercondensatoren. Met deze studie breidden ze de mogelijkheden uit van wat ze in hun eerdere experimenten hadden bereikt, waarbij ze apparaten leverden die elektrische energie konden opslaan en energie konden genereren in een milieuvriendelijk systeem.

In de volgende fase streven de onderzoekers ernaar de schimmelbatterij krachtiger en duurzamer te maken, evenals het apparaat volledig 3D‑printbaar te maken. Ze zullen ook andere soorten schimmels onderzoeken die beter geschikt zijn voor het leveren van elektriciteit en hun apparaat klaar maken voor gebruik in praktische toepassingen in het veld.

Laten we nu enkele belangrijke spelers bekijken die actief zijn op de batterij‑ en 3D‑printmarkten.

1. Proto Labs, Inc.

Een aanbieder van uitgebreide digitale productiediensten, Proto Labs (PRLB ) is gespecialiseerd in geavanceerde productie en 3D‑printdiensten om op maat gemaakte onderdelen voor haar klanten te vervaardigen.

Proto Labs begon dit jaar met een uitbreiding naar volledige productie, wat het bedrijf een “natuurlijke evolutie” noemt. Dit zal zich vertalen in betere kwaliteitscontrole en betere prijsopties, terwijl de focus op industriële certificeringen ligt, waardoor het bedrijf klanten van begin tot eind kan bedienen. De katalysator voor deze uitbreiding, Eric Utley, manager 3D‑printtoepassingen bij Proto Labs, was de overname van 3D Hubs in 2021 die hun oplossingsbasis vergrootte.

Naarmate duurzaamheid een dringende wereldwijde zorg wordt en consumenten, bedrijven en regelgevers werken aan het verkleinen van hun ecologische voetafdruk door te kiezen voor gerecyclede materialen, heeft Proto Labs ook plasticmaterialen met gerecycled gehalte geïntroduceerd in haar CNC‑aanbod. Dit stelt gebruikers in staat om geen nieuwe materialen te gebruiken voor prototyping zonder extra kosten.

Met een marktkapitalisatie van $937.75 miljoen worden de aandelen van Proto Labs momenteel verhandeld tegen $38.26, een daling van 2.12% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 0.94 en een P/E (TTM) van 40.69.

Voor Q3 van 2024 rapporteerde het bedrijf een omzet van $125.6 miljoen, een daling van 3.9% ten opzichte van de recordomzet van $130.7 miljoen in hetzelfde kwartaal van het voorgaande jaar. De nettowinst voor het kwartaal bedroeg $7.2 miljoen. Ondertussen was de operationele kasstroom de hoogste sinds 2020, vóór de overname van 3D Hubs door Proto Labs.

De winst per aandeel (non‑GAAP) in het derde kwartaal bedroeg $0.47, terwijl de YTD aangepaste EPS volgens rapporten met meer dan 10% jaar‑over‑jaar is gestegen bij stabiele omzet. In totaal bediende Protolabs 22,511 klantcontacten. Het saldo van cash en investeringen per 30 september 2024 bedroeg $117.6 miljoen.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Het in China gevestigde BYD is voornamelijk actief in de productie en verkoop van transportapparatuur, maar houdt zich ook bezig met de productie van oplaadbare batterijen, fotovoltaïsche producten en elektronische apparaten voor dagelijks gebruik.

Met een marktkapitalisatie van $105.57 miljard worden de BYD‑aandelen momenteel verhandeld tegen $33.33, een daling van 1.99% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 1.66 en een P/E (TTM) van 20.08, terwijl het dividendrendement 1.31% bedraagt.

Volgens de nieuwste gepubliceerde gegevens staat BYD op de tweede plaats met een aandeel van 23.19% in de geïnstalleerde capaciteit van stroombatterijen in China, die 17.49 GWh bereikte. Het totale aantal geïnstalleerde stroombatterijen in het land bedroeg ondertussen 75.4 GWh, een stijging van 57.3% jaar‑over‑jaar. Voor het volledige jaar 2024 stond BYD op de tweede plaats met een aandeel van 24.74%, terwijl CATL zijn positie behield met een aandeel van 45.08%.

De toonaangevende producent van oplaadbare batterijen, BYD, biedt lithium‑ionbatterijen, NiMH‑batterijen en NCM‑batterijen aan, die een breed scala aan toepassingen hebben, waaronder consumentenelektronica, nieuwe energievoertuigen en energieopslag. Het cruciale punt is dat het bedrijf de volledige toeleveringsketen bezit, waardoor het betere controle over kwaliteit en kosten heeft.

BYD staat nu klaar om dit jaar de nieuwe generatie van de Blade‑batterij voor EV's te lanceren, die zal worden gebruikt in de toekomstige voertuigen van het bedrijf. De eerste generatie van de Blade‑batterij werd in 2020 door BYD geïntroduceerd, en de huidige generatie wordt door BYD gebruikt om haar EV's van stroom te voorzien, evenals door andere autofabrikanten zoals Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia en Hyundai.

In vergelijking met conventionele lithium‑ionbatterijen zijn deze lithium‑ionfosfor (LFP) batterijen kosteneffectiever en hebben ze BYD geholpen budget‑EV-modellen te introduceren die haar groei hebben gestimuleerd. De volgende generatie Blade‑batterijen zal nog compacter, efficiënter, veiliger zijn en een groter bereik bieden.

Wat de automobielactiviteiten van het bedrijf betreft, verkocht BYS vorig jaar wereldwijd een recordaantal EV's en hybriden, terwijl zijn grootste concurrent, Tesla, 4.3 miljoen verkocht. De best verkopende autofabrikant van China verkocht in 2024 daadwerkelijk 1.76 miljoen pure EV's, terwijl hij te maken heeft met felle concurrentie op de thuismarkt, die de afgelopen tien jaar werd gestimuleerd door honderden miljarden dollars aan overheids subsidies.

Wat de omzet van het bedrijf betreft, registreerde de Chinese fabrikant van elektrische voertuigen voor Q3 2024, die in 2022 stopte met de productie van benzinemotorvoertuigen, een stijging van 11.5% in de nettowinst tot $1.63 miljard, terwijl de omzet met 24% jaar‑over‑jaar steeg tot $28.24 miljard.

Conclusie

Batterijen, een belangrijk onderdeel van de hedendaagse elektronica, evenals EV's, intuïtieve mobiele netwerken en missies in de diepe ruimte, drijven de technologische revolutie aan. Echter, de snel groeiende e‑waste en het afnemende aanbod van niet‑hernieuwbare materialen vereisen dat we producten ontwikkelen op basis van hernieuwbare natuurlijke bronnen, wat steeds meer de focus wordt, zoals we vandaag zagen met onderzoekers die zich wenden tot organische materialen zoals schimmels om batterijen te bouwen.

Schimmels, die al lang het leven op aarde verrijken en onze toekomst vormgeven, hebben dankzij hun leiderschap in recycling en materiaaltransformatie een groeiende golf van interesse gezien. Ze bieden oplossingen om de groene verschuiving naar een bio‑gebaseerde circulaire economie te realiseren, met nieuwe concepten om de gezondheid van mens, plant en dier te waarborgen.

Hoewel schimmels al zijn onderzocht en gebruikt in landbouw, geneeskunde en biotechnologie, markeert de nieuwste studie een grote stap voorwaarts op het gebied van materiaalkunde en microbiële elektrochemie. Dit gebeurt door milieuvriendelijke materialen te gebruiken in de constructie en kansen te creëren om diverse cellulose‑gebaseerde schimmel‑elektroden te 3D‑printen voor gebruik in microbiële brandcellen.

Doorbraken zoals deze pakken dringende milieuproblemen aan en openen nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van bio‑gebaseerde, high‑performance energiesystemen, waardoor we dichter bij het realiseren van een echt duurzame en circulaire economie komen.

Klik hier voor een lijst van topbatterijaandelen.