Lösliga probiotikadrivna biobatterier för tillfällig användning

Ett team av ingenjörer ledd av en professor från Binghamton University presenterade en ny typ av batteri som kan självförstöra sig. De lösliga batterierna bryts ner till ofarliga material, vilket gör dem idealiska för medicinska, miljömässiga och säkerhetsrelaterade tillämpningar. Så här kan beviset på konceptet för engångsbatterier omforma marknaden och inleda en ny era av säkra, effektiva, självförstörande energilösningar.

E-Waste: Den miljömässiga utmaningen

E-avfall är fortfarande en allvarlig fråga. Begreppet avser kasserad elektronik och hushållsapparater. Dessa föremål innehåller ofta återanvändbara material och andra komponenter som kan brytas ner och läcka ut i miljön om de inte tas om hand på rätt sätt. Tyvärr slängs en stor del av e-avfallet i hushållsavfallet, vilket gör att materialen hamnar på soptippar.
Batterier är en av de största bidragsgivarna till e-avfall. Anledningarna inkluderar att de blir föråldrade snabbare än andra komponenter, som skärmar. Tyvärr kan cirka 95 % av batterikomponenterna återvinnas, men de går oftast förlorade eftersom batteriet kastas tillsammans med vanligt skräp. Dessutom är batteriavfall skadligt eftersom det innehåller tungmetaller och andra giftiga ämnen som kan förorena omgivningen.

Grön elektronik: Biosäkra, vattenlösliga designer

Genom att inse behovet av att påbörja återvinningscykeln tidigare i en produkts livslängd har ingenjörer börjat skapa hållbar elektronik. Dessa enheter är utformade för att sönderfalla på ett biosäkert sätt över tid eller när de kommer i kontakt med vissa ämnen som vatten. På så sätt kan grön elektronik hjälpa till att minska föroreningar och göra elektronik mindre skadlig för hälsan.

Tillfällig vs. bioabsorberbar elektronik

Denna vetenskap har hittat en plats inom medicin, där den används för att skapa implantat som kan sönderfalla efter att de har fullgjort sin behandlingscykel. Bioabsorberbar elektronik måste tillverkas på ett sätt som inte använder material som lämnar giftiga rester. Imponerande nog har ingenjörer lyckats komma nära detta mål.

Utmaningar inom bioabsorberbara batteriteknologier

Batteriet har visat sig vara det enda tekniska hindret för att göra bioabsorberbar elektronik till verklighet. Det mest använda batterialternativet är litiumjonbatterier, som medför betydande risker såsom termisk rusning och farliga kemikalier.

Mikrobiella & bio-batteri tillvägagångssätt: Fördelar och nackdelar

Ett område inom batteriteknik som har sett betydande tillväxt är mikrobiella bio-batterier. Dessa enheter utnyttjar den elektriska laddning som skapas av mikrobernas metaboliska aktiviteter. Mikrober finns naturligt i människokroppen, på huden och i tarmen. Båda dessa alternativ har utnyttjats för att skapa bio-batterier. Det finns dock problem med potentiell mikrobiell cytotoxicitet.

Studie om lösliga batterier

Ett team av forskare tror att de har övervunnit dessa begränsningar med sin senaste studie Lösliga probiotikadrivna batterier: En säker och biokompatibel energilösning för tillfälliga tillämpningar publicerad i tidskriften Small. Artikeln går in på ett tillfälligt biobatteri som drivs av kommersiellt tillgängliga probiotika och prioriterar biosäkerhet och biokompatibilitet. När det löser upp sig frigör det fördelaktiga mikrober istället för skadliga kemikalier.

Nyckelkomponenter i det probiotiska biobatteriet

De probiotikadrivna batterierna använder fyra komponenter för att leverera kontinuerlig och pålitlig kraft. Den första delen är en anod. Anodens yta är porös och belagd med katalysatorer för att möjliggöra att bakterier fäster lättare. Detta steg är avgörande för att förbättra mikroorganismernas elektrogena förmåga.

Källa – Binghamton University

Reservoir

Reservoiren är nästa komponent i ekvationen. Dess huvudsyfte är att hålla den mikrobiella näringen. Intressant nog fann teamet att detta steg var ett av de svåraste. De beslutade att förbättra blandningen av elproducerande bakterier för att förstärka den elektrokatalytiska beteendet.

Optimerad probiotisk stamblandning

Teamet gjorde omfattande forskning på de probiotiska blandningarna som användes. De använde analytiska och experimentella tekniker för att granska och rangordna blandningarnas elektrogena egenskaper. Noterbart är att alla dessa material är kommersiellt tillgängliga.
Efter att ha genomfört testet bestämde teamet 15 stammar som skulle utgöra den ideala blandningen. Blandningen bestod huvudsakligen av släktena Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii och Saccharomyces boulardii. Noterbart är att när blandningen löser upp sig genererar den elektricitet när probiotika frigörs.

Funktionalitet för jonbytesmembran

Pennritade elektroder fungerar som ett utbytesmedium. Denna yta underlättar jonutbyte genom att binda och släppa joner över en olöslig matris. Denna process används också i vattenrening och för att avlägsna föroreningar.

Design av Prussian Blue katod

En Prussian Blue-katod innehållande katalysatorer skapades. Enheten designades med en elektrodytor som stödjer livlig bakterietillväxt med hjälp av polymerer och nanopartiklar. Denna negativt laddade terminal accepterar strömflöde genom de tryckta vaxgränserna och membranen.

pH-utlösta lösliga polymerbeläggning

Hela enheten är belagd med ett lösligt papper som är pH-reaktivt. När det kommer i kontakt med en sur miljö börjar det lösa upp sig. Beläggningen löser sig långsamt för att säkerställa att enheten kan frigöra sin energi på ett planerat och förutsägbart sätt. Detta tillvägagångssätt hjälper till att förbättra spänningsutgången och varaktigheten.
Genom att kapsla in det vattenlösliga papperssubstratet kan den elektriska frisättningen tidsbestämmas. Det pH-känsliga membranet säkerställer strukturell integritet och optimal prestanda.

Lösliga batterier – Hur de fungerar

Batteriet genererar elektricitet genom att utnyttja metabolismen hos mikrobiella biokatalysatorer. Interaktionerna skapar redoxreaktioner som genererar elektroner och protoner. Strömmen leds sedan genom en extern krets. Protonerna färdas över jonbytesmembranet, som levererar dem till katoden. Detta sista steg förenar dem med elektronerna och skapar en komplett krets.

Design och testning av mikrofluidiska kanaler

För att testa sin teori skapade ingenjörerna sex design för mikrofluidiska kanaler. Varje design testades för att registrera dess parametrar. Testningen inkluderade övervakning av öppen kretsspänning (OCV) under upplösningsprocessen. Detta steg gjorde det möjligt för ingenjörerna att få djupare insikt i vilken mikrofluidisk design som gav bästa prestanda.

Performance Metrics: Effektutgång & varaktighet

Testresultaten visade att enheten kunde upprätthålla drift i 25 minuter. Dessutom genererade testproverna strömutgångar motsvarande varje resistors värde. Teamet noterade att genom att manipulera enhetens längd eller kapsla in den med pH-känsliga polymerer kunde de finjustera energileveransen.
Genom att använda denna metod för att manipulera effektparametrarna kunde ingenjörerna inte förlänga energileveransen till +100 minuter. Gruppen noterade att batteriet levererade enstaka modulutgångar på 4 µW effekt, 47 µA ström och en öppen kretsspänning på 0,65 V.

Fördelar med probiotiska lösliga batterier

Det finns en lång lista med fördelar som denna studie ger till marknaden. För det första är batteriet självväxande. Probiotika produceras naturligt och är rikligt förekommande. Därmed öppnar de dörren till lättillgängliga lågkostnadsbatterier.

Självmonterande

En annan fördel med den probiotiska batteridesignen är att den är självmonterande. Det behövs ingen dyr tillverkningsanläggning för att producera dessa batterier. De kan självmonteras eftersom enheten förlitar sig på naturligt förekommande händelser.

Självreparerande

Den nya batteridesignen kan reparera skador precis som människokroppen läker. Enheten använder probiotika, som kan omdirigera och skapa nya kanaler för att fullfölja sina uppgifter. Denna flexibilitet kompletteras av deras självunderhållande egenskaper.

Tillämpningar & marknadstidslinje

Flera tillämpningar för denna teknik kan hjälpa till att revolutionera batterimarknaden. För det första är dessa enheter perfekt lämpade för biomedicinska eller biorobotiska användningar. Enheterna lämnar inga spår av sin existens efter att de har löst upp sig. Därmed är de det ideala alternativet för implanterade behandlingar.

Miljö

Det finns även miljömässiga användningar för denna teknik. Ingenjörer kan skapa sensorer som säkert biologiskt bryts ner efter användning. Föremål som stormspårare och annan viktig väderövervakningsteknik kan integreras med mindre miljöpåverkan.

Hårdvarusäkerhet

Säkerhetstillämpningar är ett annat område där denna teknik kan hitta en plats. Du har sett detta koncept om du någonsin har sett Mission: Impossible. När huvudkaraktären, Ethan Hunt, får sina instruktioner, meddelar tejpen att den kommer att självdestruera innan den helt löser upp sig.
Detta koncept är bara ett av många sätt som engångsbatteriteknik kan hjälpa till att förbättra säkerheten. Engångsanvändning av elektronik och andra känsliga föremål kan enkelt förstöras med detta koncept, vilket förhindrar avfall och att information hamnar i fel händer.

Elbilar

Användningen av lösliga batterier i elbilar kan vara ett bra sätt att säkerställa att soptippar inte fylls med elbilsbatterier. Elbilsmarknaden är en snabbväxande marknad med nya modeller som tas i bruk varje månad. I många fall är batteriet den huvudsakliga uppgraderingen i den nyare enheten. Att integrera biologiskt nedbrytbara lösliga batterier är ett smart sätt att skapa en säkrare miljö.

Rymdforskning

Ett annat område där löslig elektronik kan glänsa är i satelliter. Det finns för närvarande tusentals satelliter i omloppsbana runt jorden. Varje enskild kan utgöra ett potentiellt hot för andra om de kolliderar. En kollision skulle resultera i tusentals mindre föremål som virvlar runt atmosfären och skapar en ogenomtränglig skräpmur.
Att använda engångselektronik skulle vara ett smart sätt att förhindra denna situation. Satelliter som är avsedda att lösa upp sig efter att deras användning löpt ut kan erbjuda ett säkert alternativ som förhindrar att skräp bildas från början.

Kommersialiserings tidslinje (5–10 år)

Det kan ta 5–10 år innan lösliga batterier når marknaden. Dessa enheter kommer att användas inom medicin, vilket innebär att de måste genomgå flera års tester och prövningar för att säkerställa deras säkerhet. Efter att ha erhållit licens finns det flera tillämpningar där denna teknik kommer att användas.

Forskare inom lösliga batterier

Studien om engångsbatterier leddes av Binghamton University-professor Seokheun “Sean” Choi. Artikeln listar även Maedeh Mohammadifar som medförfattare. Noterbart är att Choi har arbetat med engångselektronik i årtionden. Hans senaste projekt, engångspappertronik, bidrog till att inspirera hans senaste satsning.

Framtida riktningar för probiotiska batterier

När de frågades om sina forskningsplaner sade ingenjörerna att de ville spendera mer tid på att studera probiotika för att upptäcka vilka som är bäst och varför. Ingenjörerna tror att de kan avgöra vilka som har extra elektroniska gener och hur man använder dem för att skapa bättre prestanda.

Investera i batteriindustrin

Batterisektorn är en snabbväxande marknad med många konkurrenter som tävlar om titeln. Allt eftersom elbilar och andra batteridrivna enheter blir norm, ökar efterfrågan på mer kapabla och säkrare batterier. Här är ett företag som kontinuerligt har drivit innovation och bidragit till att göra dagens batterier säkrare än någonsin.

Microvast

Microvast (MVST ) grundades 2006 av Yang Wu. Det Texasbaserade batteritillverkaren har byggt ett rykte för innovation och kvalitet under nästan två decennier av verksamhet. Idag är företaget en ledande leverantör av Li-Ion batterikomponenter och alternativ.

Microvast har verksamhet i USA, Kina och Tyskland och har mottagit flera utmärkelser för sina innovationer. År 2013 fick de utmärkelsen Leading Li-ion Battery Supplier Award. Samma år lyckades företaget öppna den första ultrahurtiga EV-laddningsstationen. År 2019 vann deras högenergitäta 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-Ion-alternativ. Dessa nya batteridesign erbjuder ultrahurtig laddning, ultralång livslängd och uppfyller de högsta säkerhetsstandarderna.

Senaste Microvast (MVST) aktienyheter och utveckling

Varför lösliga batterier är en spelväxlare

Idén med ett batteri som löser upp sig kan verka som science fiction, men beviset på konceptet visar motsatsen. Denna teknik kommer att hjälpa medicinska yrkespersoner att skapa mer avancerade och hjälpsamma implantat, låta rymdforskare resa längre och säkert göra sig av med avfall, samt minska den globala påverkan av e-avfall. Av dessa skäl kan det lösliga batteriet ses som en viktig milstolpe.
Lär dig mer om annan spännande energiteknik Nu.

Studier som refereras:

^{1. M. Rezaie, M. Mohammadifar, S. Choi, Lösliga probiotikadrivna biobatterier: En säker och biokompatibel energilösning för tillfälliga tillämpningar. Small 2025, 21, 2502633. https://doi.org/10.1002/smll.202502633}