Energi
Lösbara probiotikabatterier för tillfällig användning
Ett team av ingenjörer ledda av en professor från Binghamton University har presenterat en ny typ av batteri som kan self-förstöra. De lösliga batterierna bryts ner till ofarliga material, vilket gör dem idealiska för användning inom medicin, miljö och säkerhetsapplikationer. Här är hur beviset för den lösliga batteriets koncept kan omforma marknaden och bana väg för en ny era av säkra, effektiva och självförstörande energilösningar.
E-avfall: Den miljöutmaning
E-avfall förblir en allvarlig fråga. Begreppet avser förkastade elektronik och apparater. Dessa artiklar innehåller ofta återanvändbara material och andra komponenter som kan brytas ner och läcka ut i miljön om de inte hanteras på rätt sätt. Tyvärr hamnar en stor andel av e-avfallet i hushållssoporna, vilket resulterar i att materialet hamnar på deponi.
Batterier är en av de främsta bidragande faktorerna till e-avfall. Anledningarna till detta är att de blir föråldrade snabbare än andra komponenter, som skärmar. Tyvärr kan cirka 95% av batterikomponenter återvinnas, men de används främst inte på grund av att batteriet kastas tillsammans med vanligt avfall. Dessutom är batteriavfall skadligt eftersom det innehåller tungmetaller och andra giftiga ämnen som kan förorena omgivningen.
Grön elektronik: Biosäkra, vattenlösliga design
Medvetna om behovet av att starta återvinningscykeln tidigare i en produkts livscykel, har ingenjörer börjat skapa hållbara elektronik. Dessa enheter är utformade för att bryta ner på ett biosäkert sätt över tid eller när de kommer i kontakt med vissa föremål som vatten. Som sådan kan grön elektronik hjälpa till att minska föroreningar och göra elektronik mindre skadlig för din hälsa.
Tillfällig vs. biologiskt nedbrytbar elektronik
Denna vetenskap har funnit en plats inom det medicinska området, där den används för att skapa implantat som kan bryta ner efter att de har slutfört sin behandlingscykel. Biologiskt nedbrytbara elektronik måste tillverkas på ett sätt som inte använder några material som lämnar giftigt avfall. Imponerande, har ingenjörer kunnat komma nära detta mål.
Utmaningar i biologiskt nedbrytbar batteriteknik
Batteriet har visat sig vara den enskilda tekniska hinder för att göra biologiskt nedbrytbara elektronik till verklighet. Den mest använda batterialternativet är litium-jonbatterier, som utgör betydande risker som termiskt utförande och farliga kemikalier.
Mikrobiell & biobatteriapproach: Fördelar och nackdelar
Ett område inom batteriteknik som har sett betydande tillväxt är mikrobiellbaserade biobatterier. Dessa enheter använder den elektriska laddningen som skapas av mikroorganismernas metaboliska aktiviteter. Mikroorganismer finns naturligt i den mänskliga kroppen, på hud och i tarmen. Båda alternativen har använts för att skapa biobatterier. Det finns dock fortfarande problem med mikrobiell cytotoxicitet.
Lösliga batterier studie
Ett team av forskare tror att de har övervunnit dessa begränsningar med sin senaste studie Lösliga probiotikabatterier: En säker och biokompatibel energilösning för tillfälliga applikationer publicerad i tidskriften Small. Artikeln undersöker ett tillfälligt biobatteri som drivs av kommersiellt tillgängliga probiotika som prioriterar biosäkerhet och biokompatibilitet. När det löses, frigör det nyttiga mikroorganismer istället för skadliga kemikalier.
Nyckelkomponenter i probiotikabatteri
Probiotikabatterierna använder fyra komponenter för att leverera kontinuerlig och tillförlitlig kraft. Den första delen är en anod. Anodens yta är porös och belagd med katalysatorer för att möjliggöra att bakterier kan fästa sig på den lättare. Detta steg är avgörande för att förbättra mikroorganismernas elektrogena förmåga.
Source – Binghamton University
Reservoar
Reservoaren är den nästa komponenten i ekvationen. Dess huvudsakliga syfte är att hålla den mikrobiella födan. Intressant, fann teamet att detta steg var en av de svåraste. De beslutade att förbättra den elektricitetsproducerande bakterieblandningen för att förbättra den elektrokatalytiska beteendet.
Optimerad probiotisk blandning
Teamet genomförde omfattande forskning om probiotikablandningar som användes. De använde analytiska och experimentella tekniker för att granska och ranka de elektrogena egenskaperna hos blandningarna. Noterbart, alla material som användes är kommersiellt tillgängliga.
Efter att ha genomfört testet, bestämde teamet att 15 stammar skulle utgöra den ideala blandningen. Blandningen bestod främst av släktena Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii och Saccharomyces boulardii. Noterbart, när blandningen löses, genererar den elektricitet när probiotikan frigörs.
Jonbytesmembransfunktionalitet
Pencildragen elektroder fungerar som ett utbytesmedium. Denna yta möjliggör jonbyte genom att binda och frigöra joner över en olöslig matris. Denna process används också i vattenrening och föroreningsborttagningsprocesser.
Blått cathoddesign
En blå cathod innehållande katalysatorer skapades. Enheten utformades med en elektrod yta som stöder livlig bakterietillväxt med hjälp av polymer och nanopartiklar. Denna negativt laddade terminal accepterar strömflöde genom de tryckta vaxgränserna och membranen.
pH-utlöst löslig polymertäckning
Hela enheten är täckt med en löslig papperstäckning som är pH-reaktiv. När den kommer i kontakt med en sur miljö, börjar den att lösas. Täckningen löser sig långsamt för att säkerställa att den möjliggör enheten att frigöra sin energi på ett planerat och förutsägbart sätt. Denna metod hjälper till att förbättra spänning och varaktighet.
Genom att inkapsla den vattenlösliga papperstäckningen, kan den elektriska frigöringen tidssättas. Den pH-känsliga membranen säkerställer strukturell integritet och optimal effekt.
Lösliga batterier – Hur de fungerar
Sättet som batteriet genererar elektricitet är genom att använda mikrobiella biokatalysatorers metabolism. Interaktionerna skapar redox-reaktioner som genererar elektroner och protoner. Strömmen riktas sedan genom en yttre krets. Protonerna reser över jonbytesmembranet, som levererar dem till cathoden. Detta sista steg förenar dem med elektronerna, vilket skapar en komplett krets.
Mikrofluidisk kanal design och testning
För att testa sin teori, skapade ingenjörerna sex mikrofluidiska kanal design. Varje design testades för att registrera dess parametrar. Testningen inkluderade övervakning av öppen-krets spänning (OCV) under lösningprocessen. Detta steg möjliggjorde för ingenjörerna att få en djupare insikt i vilken mikrofluidisk design som producerade den bästa prestationen.
Prestandamått: Effektleverans och varaktighet
Testresultaten visade att enheten kunde upprätthålla drift i 25 minuter. Dessutom genererade testproverna ström som motsvarade varje resistorvärde. Teamet noterade att genom att manipulera enhetens längd eller inkapsla den med pH-känsliga polymerer, kunde de finjustera effektleveransen.
Genom att använda denna metod för att manipulera effektparametrarna, kunde ingenjörerna inte förlänga effektleveransen till +100 minuter. Gruppen noterade att batteriet levererade enkelmodulutdata på 4 µW av effekt, 47 µA av ström och en öppen-krets spänning på 0,65 V.
Fördelar med lösliga probiotikabatterier
Det finns en lång lista med fördelar som denna studie bringar till marknaden. För det första är batteriet självväxande. Probiotika är naturligt producerade och rikliga. Som sådan, öppnar de dörren till lättillgängliga och billiga batterier.
Självmontering
En annan fördel med probiotikabatteriets design är att den är självmonterande. Det finns inget behov av att skapa en dyr tillverkningsanläggning för att producera dessa batterier. De kan självmontera eftersom enheten förlitar sig på naturligt förekommande händelser.
Självläkande
Den nya batteridesignen är kapabel att reparera skador precis som den mänskliga kroppen läker. Enheten använder probiotika, som är kapabla att omleda och skapa nya kanaler för att slutföra sina uppgifter. Denna flexibilitet kompletteras av deras självunderhållande egenskaper.
Applikationer och marknadstidslinje
Det finns flera applikationer för denna teknik som kan hjälpa till att revolutionera batterimarknaden. För det första är dessa enheter perfekt lämpade för biomedicinska eller birobotiska användningar. Enheterna lämnar inga spår av sin existens efter att de har lösts. Som sådan är de det idealiska valet för implantatbehandlingar.
Miljö
Det finns miljöanvändningar för denna teknik också. Ingenjörer kunde skapa sensorer som säkert biologiskt bryter ner efter användning. Artiklar som stormspårare och annan viktig väderövervakningsteknik kunde integreras med mindre miljöpåverkan.
Säkerhetsmaskin
Säkerhetsapplikationer är ett annat område där denna teknik kunde hitta en plats. Du har sett detta koncept om du har sett filmen Mission: Impossible. När huvudpersonen, Ethan Hunt, får sina instruktioner, meddelar bandet att det kommer att self-förstöra innan det försvinner helt.
Detta koncept är bara ett av många sätt som engångselektronikteknik kunde hjälpa till att förbättra säkerheten. Enstaka användning av elektronik och andra känsliga artiklar kunde förstöras lätt med detta koncept, vilket förhindrar avfall och information från att hamna i oväntade händer.
Elfordon
Användningen av lösliga batterier i elfordon kunde vara ett bra sätt att säkerställa att deponi inte fylls med elfordonsbatterier. Elfordonsmarknaden är en snabbt föränderlig marknad med nya modeller som kommer ut varje månad. I många fall är batteriet den främsta uppgraderingen i den nya enheten. Att integrera biologiskt nedbrytbara lösliga batterier är ett smart sätt att skapa en säkrare miljö.
Rymdutforskning
Ett annat område där lösliga elektronik kunde lysa är i satelliter. Det finns tusentals satelliter som kretsar runt jorden för närvarande. Var och en utgör en potentiell fara för andra om de kolliderar. Varje kollision skulle resultera i tusentals mindre föremål som slungas runt i atmosfären, vilket skapar en ogenomtränglig vägg av skräp.
Användningen av engångselektronik skulle vara ett smart sätt att förhindra denna situation. Satelliter som var avsedda att lösas efter att de har använts kunde tillhandahålla ett säkert alternativ som förhindrar skräp från att bildas från början.
Kommersiell tidslinje (5-10 år)
Det kan ta 5-10 år innan lösliga batterier når marknaden. Dessa enheter kommer att användas inom det medicinska området, vilket innebär att de måste genomgå år av tester och provning för att säkerställa deras säkerhet. Efter att ha uppnått licensiering, finns det flera applikationer där denna teknik kommer att användas.
Lösliga batteriforskare
Studien om engångsbatterier leddes av Binghamton Universitys professor Seokheun “Sean” Choi. Artikeln listar också Maedeh Mohammadifar som medförfattare. Noterbart, Chol har arbetat med engångselektronik i decennier. Hans senaste projekt, pappertronik, hjälpte till att inspirera hans senaste företag.
Framtida riktningar för probiotikabatterier
När de tillfrågades om planerna för sin forskning, sa ingenjörerna att de ville spendera mer tid på att studera probiotika för att upptäcka vilka som var de bästa och varför. Ingenjörerna tror att de kan bestämma vilka som har extra elektroniska gener och hur man kan använda dem för att skapa bättre prestanda.
Investeringar i batteriindustrin
Batterisektorn är en snabbt föränderlig marknad med många konkurrenter som kämpar för titeln. När elfordon och andra batteridrivna enheter blir normen, ökar önskan om mer kapabla och säkrare batterier. Här är ett företag som har kontinuerligt drivit innovation och hjälpt till att göra dagens batterier säkrare än någonsin.
Microvast
Microvast (MVST ) grundades 2006 av Yang Wu. Det Texas-baserade batteritillverkaren har skaffat sig ett rykte för innovation och kvalitet under sina nästan 2 decennier av verksamhet. Idag är företaget en ledande leverantör av Li-jonbatterikomponenter och alternativ.
(MVST )
Microvast har verksamhet i USA, Kina och Tyskland och har mottagit många utmärkelser för sina innovationer. 2013 tilldelades de Leading Li-ion Battery Supplier Award. Samma år lyckades företaget med att öppna den första ultra-snabba elfordonsladdningsstationen. 2019 vann deras högenergi-täthet och säkra batterisystem R&D 100 Award.
Idag är Microvast en ledare inom batteriinnovation. Företaget arbetar specifikt med LTO (Lithium Titanate Oxide) och andra Li-jonalternativ. Dessa nya batteridesign ger ultra-snabb laddning, ultra-lång livslängd och följer de högsta säkerhetsstandarderna.
Senaste Microvast (MVST) aktie nyheter och utveckling
Varför lösliga batterier är en spelväxlare
Idén om ett batteri som löser sig kan verka som science fiction, men beviset för konceptet bevisar annat. Denna teknik kommer att hjälpa medicinska yrkespersoner att skapa mer avancerade och hjälpsamma implantat, rymdutforskare att resa längre och säkert förstöra avfall, och hjälpa till att minska e-avfallet globalt. Av dessa skäl kan det lösliga batteriet ses som en stor milstolpe.
Lär dig om andra coola energitekniker Nu.
Studier som refereras:
, , , Lösliga probiotikabatterier: En säker och biokompatibel energilösning för tillfälliga applikationer. Small 2025, 21, 2502633. https://doi.org/10.1002/smll.202502633
