Svampbränsleceller skapade med hjälp av 3D-utskrift

Batterier är drivkraften bakom vår teknologiskt avancerade nutid och framtid. Trots allt driver de allt från våra fjärrkontroller, kameror, telefoner, bärbara datorer och elfordon till utrustning, robotik och energilagring.

Med tanke på batteriers varierande användningsområden har dess marknadsstorlek vuxit till ett värde på $134.62 billion in 2024 och förväntas ytterligare expandera med en sammansatt årlig tillväxttakt (CAGR) på 16,4 % till 2030.

Med den ständigt växande efterfrågan på batterier är fokus nu på att förbättra tekniken för att erbjuda högre energitäthet, bättre säkerhet, längre livslängd och kortare laddningstid.

Förutom att förbättra batteriers prestanda är ett ännu större fokus nu också på att minska deras miljöpåverkan. Detta beror på den ökande e-avfallet, som uppskattas nå 74,7 Mt i slutet av detta decennium på grund av kassering av elektronik med komponenter som antingen inte bryts ner lätt eller inte är lätt återvinningsbara.

Samtidigt minskar icke‑förnybara material snabbt, vilket skapar ett akut behov av nya hållbara energikällor som kan bearbetas effektivt och har minimal påverkan på miljön.

För att möta det snabba behovet av att utveckla grön elektronik som använder giftfria, mer miljövänliga och förnybara material i sina komponenter har Empa-forskare skapat ett biologiskt nedbrytbart svampbatteri som, istället för att laddas, behöver matas. Detta levande batteri, som är 3D‑utskrivet, kan leverera ström till sensorer som används inom jordbruk eller forskning i avlägsna områden. När detta svampbatteri har utfört sitt arbete, bryter det ner sig självt inifrån.

Dessa bio‑batterier eller mikrobiella bränsleceller (MFC) utnyttjar mikroorganismers redox‑metabolism för att skapa energi.

Mikroorganismer som används i dessa typer av bränsleceller metaboliserar organiskt material som avloppsvatten eller socker och, i avsaknad av sådant material, använder ljusenergi och fotosyntes. En MFC består av en anod och en katod, och de är antingen separerade av en protonutbytesmembran (PEM) eller lämnas öppna i en enkelskåpsenhet.

Förutom fjärrsensorer och miljöövervakningsenheter är MFC av intresse för tillämpningar som bärbar elektronik och biomedicinska diagnostiska enheter. De är särskilt fördelaktiga i fristående applikationer som inte behöver tillgång till det huvudsakliga elnätet.

Bakteriella, algala och arkiala är några typer av MFC. När det gäller svamp‑MFC har de med jäst och vitröta studerats, men de har inte kombinerats förrän nu.

Fungi: Ett växande intresseområde

Fokus för detta treåriga forskningsprojekt är svampar, som är eukaryota organismer, vilket betyder att deras celler har membranomslutna organeller och tydligt definierade kärnor. Svampar tillhör inte växtriket och skiljer sig även från alla andra levande organismer.

Svampar är de mest lättigenkännliga svamparna. Andra typer inkluderar jäst, rost, mögel och mögelsvampar. Svampar finns faktiskt överallt: i jord, luft, sjöar, hav, växter, djur, mat och i människokroppen. Tillsammans med bakterier hjälper de till att bryta ner organiskt material och frigöra syre, kol, fosfor och kväve till jord och atmosfär.

I vårt dagliga liv används de ofta för att göra bröd, vin, öl och vissa ostar, samt för att producera livsmedel med högt proteininnehåll. Svampar bidrar också viktigt till att hantera sjukdomar men är samtidigt ansvariga för patogena sjukdomsalstrare.

Studier av svampar har hjälpt oss att få grundläggande kunskap om biologi och fortsätter att vara ett intresseområde för studier av cell- och molekylärbiologi, genetisk ingenjörskonst och andra grundläggande discipliner inom biologi.

Inom medicin är magiska svampar av särskilt intresse på grund av att de innehåller psilocybin, en naturligt förekommande psykoaktiv alkaloid som har hallucinogena effekter. Som vi delade i vår senaste artikel, sker en explosion av forskning som utforskar psilocybins användning för att behandla mentala och psykologiska störningar.

Svampars förmåga att omvandla organiskt material till användbara produkter har också skapat stort intresse för svampbioteknik, där de kan hjälpa till att driva övergången till en bio‑baserad cirkulär ekonomi.

Genom att erbjuda lösningar för att säkra, stabilisera och förbättra livsmedelsförsörjningen för den växande mänskliga befolkningen samtidigt som växthusgasutsläppen minskas, har svampbioteknik potential att göra ett betydande bidrag till klimatförändringsbekämpning.

Medan svampar har fått mycket uppmärksamhet inom olika områden, kan samma sak inte sägas när det gäller materialvetenskapsfältet, där de förblir underforsade och naturligtvis underutnyttjade, vilket kan förändras när forskare använder svampar för att generera elektricitet.

Den senaste studien visar utvecklingen av ett fungerande svampbatteri, som, även om det inte producerar mycket elektricitet, kan generera tillräckligt för att driva en temperatursensor i flera dagar. Denna typ av sensorer används i miljöforskning eller i jordbruksindustrin.

Till skillnad från traditionella batterier är detta svampbatteri helt giftfritt och biologiskt nedbrytbart, vilket gör det till ett miljövänligt alternativ.

BioBattery: Grön elektronik är här

Det organiska batteriet från Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, en forskningsinstitution för tillämpningsorienterad materialvetenskap och teknik, har underlättat svampmetabolism och tillhörande energigenerering.

Källa: ACS

Den levande cellen här är en mikrobiell bränslecell. Mikroorganismer, precis som alla levande varelser, omvandlar näringsämnen till energi, och mikrobiella bränslecell (MFC) utnyttjar också denna metabolism för att skapa energi och sedan fånga en del av den som elektricitet.

Mikrobiella bränslecell har hittills mest drivits av bakterier, men nu, för allra första gången, har Empa-forskare “kombinerat två typer av svampar” vars metabolism fungerar mycket bra tillsammans “för att skapa en fungerande bränslecell”.

Forskarna använde en jästsvamp på anod-sidan, där dess metabolism frigör elektroner, och en vitrötsvamp användes på katod-sidan, där den producerar ett speciellt enzym som möjliggör fångst av elektroner och sedan leds ut ur cellen.

Forskarna integrerade svampar i batteriet som en integrerad del av cellen från början. De använde 3D‑utskrift för att tillverka komponenterna i svampbatteriet, vilket gav dem full geometrisk frihet att skriva ut enheter av godtycklig form och form som kan integreras sömlöst med andra elektroniska komponenter.

På så sätt kunde de strukturera elektroderna på ett specifikt sätt så att mikroorganismerna kan få tillgång till näringsämnen så enkelt som möjligt.

Nu gjordes detta genom att blanda svampceller i tryckbläcket. Detta innebär att övervinna utmaningen att inte bara hitta ett material där svamparna kan växa bra utan också extrudera bläck utan att döda cellerna.

“Självklart vill vi att den ska vara elektriskt ledande och biologiskt nedbrytbar.”

– Gustav Nyström, chef för Cellulose- och trämateriallabbet

För att göra dem elektriskt ledande tillsatte teamet kolsvart och grafitflisor till bläcken.

Med omfattande erfarenhet av 3D‑utskrift av mjuka, bio‑baserade material kunde teamet producera ett cellulosa‑baserat bläck (hydrogel‑svampbläck) som var lämpligt för uppgiften. Studien noterade att användning av cellulosa för 3D‑utskrift av svamp‑elektroder är ett nytt sätt att kanalisera svampars metaboliska aktivitet för potentiell användning i elektrokemiska enheter.

Cellulosa är en riklig, lågkostnads, förnybar och biologiskt nedbrytbar polymer som härstammar från alger, bakterier, trä och tunikater. Den har faktiskt använts framgångsrikt för att tillverka olika typer av organiskt baserad elektronik.

Svampcellerna kan till och med använda cellulosa som näringskälla, vilket hjälper till att bryta ner batteriet efter användning. Deras huvudsakliga näringskälla var dock enkla sockerarter, som tillsätts senare till battericellerna.

“Du kan lagra svampbatterier i torrt tillstånd och aktivera dem på plats genom att helt enkelt tillsätta vatten och näringsämnen.”

– Empa-forskare Carolina Reyes, en utbildad mikrobiolog

Enligt studien kan dessa biobatterier producera 300 till 600 mV i flera dagar. Genom att koppla fyra batterier parallellt kan en liten sensor drivas i 65 timmar.

Teamet hade utvecklat material, bläck och enheter i sina tidigare arbeten för en ny gren av grön elektronik, inklusive skärmar, sensorer, batterier och superkondensatorer. Med denna studie utökade de möjligheterna för vad de uppnått i sina tidigare experiment, där de levererade enheter som kunde lagra elektrisk energi och generera energi i ett miljösäkert system.

I nästa fas syftar forskarna till att göra svampbatteriet kraftfullare och mer långvarigt, samt göra enheten helt 3D‑utskrivbar. De kommer också att undersöka andra typer av svampar som är mer lämpliga för syftet att leverera elektricitet och göra deras enhet redo för praktisk användning i fält.

Låt oss nu titta på några nyckelspelare som verkar på batteri- och 3D‑utskriftsmarknaderna.

1. Proto Labs, Inc.

En leverantör av omfattande digitala tillverkningstjänster, Proto Labs (PRLB ) specialiserar sig på avancerad tillverkning och 3D‑utskriftstjänster för att bygga skräddarsydda delar åt sina kunder.

Proto Labs började i år med att expandera till fullserviceproduktion, vilket företaget kallar “en naturlig utveckling”. Detta kommer att leda till bättre kvalitetskontroll och bättre prisalternativ samtidigt som de fokuserar på branschcertifieringar, vilket möjliggör för företaget att betjäna kunder från början till slut. Drivkraften bakom denna expansion, Eric Utley, chef för 3D‑utskriftstillämpningsingenjör på Proto Labs, var förvärvet av 3D Hubs 2021 som ökade deras lösningsbas.

När hållbarhet blir en akut global fråga och alla från konsumenter, företag och tillsynsmyndigheter arbetar för att minska sitt miljöavtryck genom att välja återvunna material, har Proto Labs också introducerat plastmaterial tillverkade med återvunnet innehåll i sitt CNC‑erbjudande. Detta gör att användare kan undvika att använda jungfruliga material för prototyper utan extra kostnad.

Med ett börsvärde på 937,75 miljoner dollar handlas Proto Labs aktier för närvarande till 38,26 dollar, ner 2,12 % YTD. Företaget har ett EPS (TTM) på 0,94 och ett P/E (TTM) på 40,69.

För Q3 2024 rapporterade företaget en omsättning på 125,6 miljoner dollar, en minskning med 3,9 % jämfört med rekordomsättningen på 130,7 miljoner dollar samma kvartal föregående år. Nettoresultatet för kvartalet var 7,2 miljoner dollar. Samtidigt var kassaflödet från den löpande verksamheten det högsta sedan 2020 innan Proto Labs förvärvade 3D Hubs.

I tredje kvartalet var non‑GAAP vinst per aktie 0,47 $, medan justerat EPS YTD har rapporterats ha ökat med över 10 % år‑över‑år på stabil omsättning. Totalt har Protolabs betjänat 22 511 kundkontakter. Kassan och investeringsbalansen per den 30 september 2024 var 117,6 miljoner dollar.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Det kinesiska BYD är främst involverat i tillverkning och försäljning av transportutrustning, men är också verksamt inom byggandet av uppladdningsbara batterier, fotovoltaiska produkter och elektroniska enheter för dagligt bruk.

Med ett börsvärde på 105,57 miljarder dollar handlas BYD-aktier för närvarande till 33,33 dollar, ner 1,99 % YTD. Företaget har ett EPS (TTM) på 1,66 och ett P/E (TTM) på 20,08, medan utdelningsavkastningen är 1,31 %.

Enligt de senaste data släppt, BYD rankas som nummer två med en andel på 23,19 % av installerad kapacitet för kraftbatterier i Kina, som nådde 17,49 GWh. Den totala installerade kapaciteten för kraftbatterier i landet uppgick samtidigt till 75,4 GWh, en ökning med 57,3 % år‑över‑år. För hela år 2024 rankades BYD som nummer två med en andel på 24,74 %, medan CATL behöll sin position med 45,08 %.

Som ledande producent av uppladdningsbara batterier erbjuder BYD litium‑jon‑batterier, NiMH‑batterier och NCM‑batterier, som har ett brett användningsområde, inklusive konsumentelektronik, nya energifordon och energilagring. Den kritiska punkten här är att företaget äger hela leveranskedjans layout, vilket ger bättre kontroll över kvalitet och kostnad.

BYD är nu redo att lansera den nya generationen av Blade‑batteriet för elbilar i år, vilket kommer att användas i företagets framtida fordon. Den första generationen av Blade‑batteriet introducerades av BYD redan 2020, och dess nuvarande generation används av BYD för att driva sina elbilar samt av andra biltillverkare som Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia och Hyundai.

Jämfört med konventionella litium‑jon‑batterier är dessa litium‑jon‑fosfor (LFP)‑batterier mer kostnadseffektiva och har hjälpt BYD att introducera budget‑EV‑modeller som drivit deras tillväxt. Nästa generation av Blade‑batterier kommer att bli ännu mer kompakt, effektiv, säker och erbjuda längre räckvidd.

När det gäller företagets bilverksamhet så sålde BYS ett rekordantal EV och hybrider globalt förra året, medan dess största rival, Tesla, sålde 4,3 miljoner. Kinas bäst säljande biltillverkare sålde faktiskt 1,76 miljoner rena EV år 2024 medan de möter hård konkurrens på hemmamarknaden, som har drivits fram av hundratals miljarder dollar i statliga subventioner under det senaste decenniet.

När det gäller företagets intäkter, för Q3 2024, rapporterade den kinesiska elbilsproducenten, som slutade producera bensinmotorfordon 2022, en ökning på 11,5 % i nettoresultat som steg till 1,63 miljarder dollar medan omsättningen ökade med 24 % år‑över‑år till 28,24 miljarder dollar.

Slutsats

Batterier, en viktig komponent i dagens elektronik, liksom elbilar, intuitiva mobilnät och djuprymdsmissioner, driver den teknologiska revolutionen. Men den snabbt växande e‑avfallet och minskande icke‑förnybara material kräver att vi utvecklar produkter baserade på förnybara naturresurser, vilket blir fokusområdet, som vi idag såg med forskare som vänder sig till organiska material som svampar för att bygga batterier.

Svampar, som länge har berikat livet på jorden och format vår framtid, har sett en växande våg av intresse tack vare att de är ledande inom återvinning och materialomvandling. De erbjuder lösningar för att göra den gröna övergången till en bio‑baserad cirkulär ekonomi, och introducerar nya koncept för att säkerställa mänsklig, växt- och djurhälsa.

Medan svampar har utforskats och använts inom jordbruk, medicin och bioteknik, markerar den senaste studien ett stort steg framåt inom materialvetenskap och mikrobiell elektrokemi. Den gör det genom att använda miljövänliga material i sin konstruktion och skapa möjligheter att 3D‑skriva olika cellulosa‑baserade svamp‑elektroder för användning i mikrobiella bränslecell.

Genombrott som dessa tar itu med akuta miljöutmaningar och öppnar nya möjligheter för att designa bio‑baserade, högpresterande energilagringssystem, vilket hjälper oss att närma oss ett verkligt hållbart och cirkulärt samhälle.

Klicka här för en lista över de bästa batteriaktierna.