Soppbrenselceller laget med hjelp av 3D‑printing

Batterier er drivkraften bak vår teknologisk avanserte nåtid og fremtid. Tross alt gir de strøm til alt fra fjernkontroller, kameraer, telefoner, bærbare datamaskiner og elektriske kjøretøy til utstyr, robotikk og energilagring.

I lys av batterienes varierte bruksområder har markedet vokst til en verdi på $134,62 milliarder i 2024 og forventes å vokse videre med en sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på 16,4 % innen 2030.$134.62 billion in 2024

Ettersom etterspørselen etter batterier stadig øker, er fokuset nå på å forbedre teknologien for å tilby høyere energitetthet, bedre sikkerhet, lengre levetid og redusert ladetid.

I tillegg til å forbedre batterienes ytelse, er det nå også et større fokus på å redusere deres miljøpåvirkning. Dette skyldes den økende mengden e-avfall, som anslås å nå 74,7 Mt innen slutten av dette tiåret på grunn av avhending av elektronikk med komponenter som enten ikke brytes ned lett eller ikke er lett resirkulerbare.

Samtidig minker ikke-fornybare materialer raskt, noe som skaper et presserende behov for nye bærekraftige energikilder som kan behandles effektivt og har minimal påvirkning på miljøet.

For å møte det raske behovet for å utvikle grønn elektronikk som bruker ikke-giftige, mer miljøvennlige og fornybare materialer i komponentene, har Empa-forskere laget et biologisk nedbrytbart soppbatteri som, i stedet for å lades, må mates. Dette levende batteriet, som er 3D‑printet, kan levere strøm til sensorer som brukes i landbruk eller forskning i avsidesliggende områder. Når dette soppbatteriet har gjort sitt arbeid, fordøyer det seg selv fra innsiden.

Disse bio‑batteriene eller mikrobielle brenselcellene (MFC‑er) utnytter mikroorganismers redoks‑metabolisme for å skape energi.

Mikroorganismer som brukes i denne typen brenselceller metaboliserer organisk materiale som avløpsvann eller sukker, og i fravær av slikt materiale bruker de lysenergi og fotosyntese. En MFC består av en anode og en katode, og de er enten adskilt av en protonutvekslingsmembran (PEM) eller er åpne i en enkeltkomponent‑enhet.

I tillegg til fjernmåling og miljøovervåkningsenheter er MFC‑er av interesse for applikasjoner som bærbar elektronikk og biomedisinske diagnostiske enheter. De er spesielt fordelaktige i frittstående applikasjoner som ikke trenger tilgang til hovedstrømnettet.

Bakterielle, alge- og arkeale er noen typer MFC‑er. Når det gjelder sopp‑MFC‑er, har de med gjær og hvitrotsopp blitt studert, men de har ikke blitt kombinert før nå.

Sopp: Et voksende interesseområde

Fokuset i dette tre‑årige forskningsprosjektet er sopp, som er eukaryote organismer, noe som betyr at cellene deres har membranbundne organeller og tydelig definerte kjerner. Sopp tilhører ikke planteriket og skiller seg også fra alle andre levende organismer.

Sopp er den lettest gjenkjennelige typen sopp. Andre typer inkluderer gjær, rust, mugg og skjell. Sopp finnes faktisk overalt: i jord, luft, innsjøer, hav, planter, dyr, mat og i menneskekroppen. Sammen med bakterier hjelper de med å bryte ned organisk materiale og frigjøre oksygen, karbon, fosfor og nitrogen til jorden og atmosfæren.

I vårt daglige liv brukes de vanligvis til å lage brød, vin, øl og enkelte oster, samt matvarer med høyt proteininnhold. Sopp bidrar også viktig til å håndtere sykdommer, men er samtidig ansvarlige for sykdomsfremkallende patogener.

Studier av sopp har hjulpet oss med å oppnå grunnleggende kunnskap om biologi og fortsetter å være et interesseområde for studier av celle- og molekylærbiologi, genetisk engineering og andre grunnleggende disipliner innen biologi.

Innen medisin er magiske sopper av spesiell interesse fordi de inneholder psilocybin, en naturlig forekommende psykoaktiv alkaloid som har hallusinogene effekter. Som vi delte i vår nylige artikkel, er det en eksplosjon av forskning som utforsker psilocybins bruk til å behandle mentale og psykologiske lidelser.

Soppens evne til å omdanne organisk materiale til nyttige produkter har også skapt stor interesse for soppbioteknologi, hvor de kan bidra til å fremme overgangen til en bio‑basert sirkulær økonomi.

Ved å tilby løsninger for å sikre, stabilisere og forbedre matforsyningen for den voksende menneskelige befolkningen samtidig som klimagassutslipp reduseres, har soppbioteknologi potensial til å gi et betydelig bidrag til klimatiltak.

Selv om sopp har fått mye oppmerksomhet på ulike områder, kan det samme ikke sies om materialvitenskapen, hvor de fortsatt er underforsket og naturligvis underutnyttet, noe som kan endre seg nå når forskere bruker sopp til å generere elektrisitet.

Den siste studien demonstrerer utviklingen av et fungerende soppbatteri, som, selv om det ikke produserer mye strøm, kan generere nok til å drive en temperatursensor i flere dager. Denne typen sensorer brukes i miljøforskning eller i landbruksindustrien.

I motsetning til tradisjonelle batterier er dette soppbatteriet helt giftfritt og biologisk nedbrytbart, noe som gjør det til et miljøvennlig alternativ.

BioBatteri: Grønn elektronikk er her

Det organisk‑baserte batteriet fra De sveitsiske føderale laboratoriene for materialvitenskap og teknologi, en forskningsinstitusjon for anvendelsesorientert materialvitenskap og teknologi, har muliggjort soppmetabolisme og tilhørende energigenerering.

Kilde: ACS

Den levende cellen her er en mikrobiel brenselcelle. Mikroorganismer, akkurat som alle levende ting, omdanner næringsstoffer til energi, og mikrobielle brenselceller (MFC‑er) utnytter også denne metabolismen for å skape energi og deretter fange en del av den som elektrisitet.

Mikrobielle brenselceller har hittil for det meste blitt drevet av bakterier, men nå, for aller første gang, har Empa-forskere «kombinert to typer sopp» hvis metabolisme fungerer svært godt sammen «for å lage en fungerende brenselcelle».

Forskerne brukte en gjærsopp på anodesiden, hvor dens metabolisme frigjør elektroner, og en hvitrotsopp ble brukt på katodesiden, hvor den produserer et spesielt enzym som gjør det mulig å fange elektroner, og som deretter ledes ut av cellen.

Forskerne integrerte sopp i batteriet som en integrert del av cellen fra starten av. De brukte 3D‑printing til å produsere komponentene i soppbatteriet, noe som ga dem full geometrisk frihet til å printe enheter av vilkårlig form og struktur som kan integreres sømløst med andre elektroniske komponenter.

På denne måten kunne de strukturere elektrodene på en spesiell måte slik at mikroorganismer kan få tilgang til næringsstoffene så enkelt som mulig.

Måten de gjorde dette på var ved å blande soppceller i trykkblekket. Dette betyr at de måtte overvinne utfordringen med ikke bare å finne et materiale som soppen kan vokse godt i, men også å ekstrudere blekket uten å drepe cellene.

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

– Gustav Nyström, leder av Cellulose‑ og tre‑materiallaboratoriet

For å gjøre dem elektrisk ledende, tilsatte teamet karbon svart og grafittflak til blekkene.

Med omfattende erfaring i 3D‑printing av myke, bio‑baserte materialer, klarte teamet å produsere et cellulose‑basert blekk (hydrogel‑soppblekk) som var egnet for oppgaven. Studien bemerket at bruk av cellulose for 3D‑printing av sopp‑elektroder er en ny måte å kanalisere soppens metabolske aktivitet for potensiell bruk i elektro‑kjemiske enheter.

Cellulose er et rikelig, lavkost, fornybart og biologisk nedbrytbart polymer som er avledet fra alger, bakterier, tre og tunikater. Det har faktisk blitt brukt med suksess i produksjon av ulike typer organisk‑basert elektronikk.

Soppcellene kan til og med bruke cellulose som næringsstoff, noe som hjelper til med å bryte ned batteriet etter bruk. Deres hovedkilde til næringsstoffer var imidlertid enkle sukkerarter, som tilsettes senere til battericellene.

“Du kan lagre soppbatteriene i tørr tilstand og aktivere dem på stedet ved bare å tilsette vann og næringsstoffer.”

– Empa‑forsker Carolina Reyes, en utdannet mikrobiolog

Ifølge studien kan disse biobatteriene produsere 300 til 600 mV i flere dager. Ved å koble fire batterier parallelt, kan en liten sensor drives i 65 timer.

Teamet hadde utviklet materialer, blekk og enheter i sine tidligere arbeider for en ny gren av grønn elektronikk, inkludert skjermer, sensorer, batterier og superkondensatorer. Med denne studien utvidet de mulighetene for det de oppnådde i sine tidligere eksperimenter, hvor de leverte enheter som kunne lagre elektrisk energi og generere energi i et miljømessig trygt system.

I neste fase har forskerne som mål å gjøre soppbatteriet kraftigere og mer langvarig, samt å gjøre enheten fullt 3D‑printbar. De vil også undersøke andre typer sopp som er bedre egnet til å levere elektrisitet og gjøre enheten klar for praktisk bruk i feltet.

La oss nå se på noen nøkkelaktører i batteri‑ og 3D‑printmarkedene.

1. Proto Labs, Inc.

En leverandør av omfattende digitale produksjonstjenester, Proto Labs (PRLB ) spesialiserer seg på avansert produksjon og 3D‑printtjenester for å bygge tilpassede deler for sine kunder.

Proto Labs startet dette året med å utvide til full‑service produksjon, noe selskapet kaller «en naturlig evolusjon». Dette vil gi bedre kvalitetskontroll og bedre prisalternativer samtidig som de fokuserer på bransje‑sertifiseringer, noe som gjør at selskapet kan betjene kunder fra start til slutt. Pådriveren for denne utvidelsen, Eric Utley, leder for 3D‑print‑applikasjonsingeniør ved Proto Labs, var oppkjøpet av 3D Hubs i 2021 som økte deres løsningsportefølje.

Ettersom bærekraft blir et presserende globalt tema, og alle fra forbrukere, selskaper og regulatorer arbeider med å redusere sitt miljøavtrykk ved å velge resirkulerte materialer, har Proto Labs også introdusert plastmaterialer laget med resirkulert innhold i sitt CNC‑tilbud. Dette gjør at brukere kan unngå å bruke jomfruelige materialer til prototyping uten ekstra kostnad.

Med en markedsverdi på $937,75 millioner handles Proto Labs‑aksjer for øyeblikket 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 rapporterte selskapet en inntekt på $125,6 millioner, en nedgang på 3,9 % sammenlignet med rekordinntekten på $130,7 millioner i samme kvartal året før. Nettoresultatet for kvartalet var $7,2 millioner. Samtidig var driftskontantstrømmen den høyeste siden 2020 før Proto Labs kjøpte opp 3D Hubs.

Tredje kvartals ikke‑GAAP inntjening per aksje var $0,47, mens justert EPS år‑til‑dato er rapportert å ha økt med over 10 % år‑over‑år på flat inntekt. Totalt betjente Protolabs 22 511 kundekontakter. Kontant‑ og investeringsbalansen per 30. september 2024 var $117,6 millioner.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Den Kina‑baserte BYD er hovedsakelig involvert i produksjon og salg av transportutstyr, men er også engasjert i bygging av oppladbare batterier, fotovoltaiske produkter og elektroniske enheter for daglig bruk.

Med en markedsverdi på $105,57 milliarder handles BYD‑aksjer for øyeblikket 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 utbytteavkastningen er 1,31 %.

Ifølge de siste publiserte dataene rangerer BYD som nummer to med en andel på 23,19 % av installert kapasitet for kraftbatterier i Kina, som nådde 17,49 GWh. Totalt antall kraftbatteri‑installasjoner i landet beløp seg til 75,4 GWh, en økning på 57,3 % år‑over‑år. For hele 2024 rangert BYD som nummer to med en andel på 24,74 %, mens CATL beholdt sin posisjon med en andel på 45,08 %.

Som ledende produsent av oppladbare batterier tilbyr BYD litium‑ion‑batterier, NiMH‑batterier og NCM‑batterier, som har et bredt spekter av bruksområder, inkludert forbrukerelektronikk, nye energikjøretøy og energilagring. Det kritiske poenget her er at selskapet eier hele forsyningskjeden, noe som gir bedre kontroll over kvalitet og kostnad.

BYD er nå klar til å lansere den nye generasjonen av Blade‑batteriet for el‑biler i år, som vil bli brukt i selskapets fremtidige kjøretøy. Den første generasjonen av Blade‑batteriet ble introdusert av BYD allerede i 2020, og den nåværende generasjonen brukes av BYD til å drive sine el‑biler samt av andre bilprodusenter som Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia og Hyundai.

Sammenlignet med konvensjonelle litium‑ion‑batterier er disse litium‑ion‑fosfat (LFP) batteriene mer kostnadseffektive og har hjulpet BYD med å introdusere budsjett‑el‑bilmodeller som har drevet veksten. Neste generasjon av Blade‑batterier vil bli enda mer kompakte, effektive, trygge og tilby større rekkevidde.

Når det gjelder selskapets bilvirksomhet, solgte BYS et rekordhøyt antall el‑biler og hybrider globalt i fjor, mens deres største rival, Tesla, solgte 4,3 millioner. Kinas bestselgende bilprodusent solgte faktisk 1,76 millioner rene el‑biler i 2024, samtidig som den møter hard konkurranse på hjemmemarkedet, som har blitt drevet frem av hundrevis av milliarder dollar i statlige subsidier det siste tiåret.

Når det gjelder selskapets inntekter, rapporterte den kinesiske el‑bilprodusenten for Q3 2024, som sluttet å produsere bensinmotor‑kjøretøy i 2022, en økning på 11,5 % i nettoresultat som steg til $1,63 milliarder, mens inntektene økte med 24 % år‑over‑år til $28,24 milliarder.

Konklusjon

Batterier, en viktig komponent i dagens elektronikk, samt el‑biler, intuitive mobilnettverk og dypromsoppdrag, driver den teknologiske revolusjonen. Imidlertid krever den raskt voksende e‑avfallet og de minkende ikke‑fornybare materialene at vi utvikler produkter basert på fornybare naturressurser, noe som blir et fokusområde, som vi i dag har sett med forskere som vender seg mot organiske materialer som sopp for å bygge batterier.

Sopp, som lenge har beriket livet på jorden og formet vår fremtid, har opplevd en økende bølge av interesse takket være deres ledende rolle i resirkulering og materialtransformasjon. De tilbyr løsninger for å gjøre den grønne overgangen til en bio‑basert sirkulær økonomi, og introduserer nye konsepter for å sikre menneskers, planters og dyrs helse.

Selv om sopp har blitt utforsket og brukt i landbruk, medisin og bioteknologi, markerer den siste studien et stort skritt fremover innen materialvitenskap og mikrobiel elektrokjemi. Den gjør dette ved å bruke miljøvennlige materialer i konstruksjonen og skape muligheter for å 3D‑printe ulike cellulose‑baserte sopp‑elektroder for bruk i mikrobielle brenselceller.

Gjennombrudd som dette tar tak i presserende miljøutfordringer og åpner nye muligheter for å designe bio‑baserte, høy‑ytelses energilagringssystemer, og hjelper oss med å komme nærmere en virkelig bærekraftig og sirkulær økonomi.

Klikk her for en liste over de beste batteriaksjene.