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“无汗液,不电池”:生物燃料电池用乳酸发电

新型生物燃料电池可利用人类汗液为可穿戴电子设备供电。

在过去的几十年中,“电子设备小型化”已经取得了巨大突破。在袖珍智能手机和多种无线连接方式相继问世后,可穿戴生物设备逐渐进入人类视野。这种微型设备可以直接随身佩戴,测量特定的生物信号,并以无线传输方式将测量结果发送到智能手机或电脑上,用于跟踪用户的健康状况。然而,为可穿戴设备匹配合适的电源,一直是一项巨大的挑战。传统纽扣电池太厚、太笨重,而轻薄的电池又存在容量及安全问题。

techxplore.com网站当地时间4月13日报道,日本东京理工大学副教授Isao Shitanda带领的团队正在探索将汗液作为可穿戴电子设备唯一能量来源的可行性。

他们在《电源学报》中提出了一种新的生物燃料电池阵列设计。该电池以汗液中的乳酸产生足够的电能,可在短时间内驱动生物传感器和无线通信设备。这种生物燃料电池阵列外观像一条纸绷带,可以佩戴在手臂之上。电池包含一个防水的纸基板以及多组生物燃料电池。电池的数量由输出电压和所需功率决定。在每个电池中,乳酸和电极中的酶发生电化学反应,产生的电流流向电流收集器。

这并不是第一款基于乳酸的生物燃料电池,但部分关键的新颖设计让其脱颖而出。其一,Shitanda等人通过精心选择材料和巧妙布局(用多孔碳墨替代导电银线),使电池能够通过丝网印刷技术制造,降低了大规模生产的成本。其二,纸层收集汗液后,通过毛细管效应同时将其输送到所有电池组,传输效率较高。这些优势使得新开发的生物燃料电池展现出前所未有的能力。

Shitanda说:“实验中,纸质生物燃料电池产生了3.66V的电压和4.3mW的输出功率。据我们所知,这种供能表现明显优于此前的报道。”

为了证实新电池在可穿戴生物传感器和通用电子设备上的适用性,Shitanda团队制作了一种自驱动乳酸生物传感器,它不仅可以用乳酸为自身供电、测量汗液中的乳酸浓度,还能够通过低功耗蓝牙设备将测量值实时传输至智能手机。

Shitanda在之前的一项研究中曾指出,乳酸是实时反映运动强度的重要生物指标,它与运动员和康复患者的训练强度密切相关。然而,这种新型电池阵列不仅能为可穿戴乳酸生物传感器供电,还能为其他类型的可穿戴电子设备供电。

Shitanda说:“我们用一滴人工汗液和生物燃料电池,成功地让一台商用活度计运转了1.5小时。在未来,我们希望这种纸基电池也能为智能手表等普通便携设备供电。”

科界原创

编译:德克斯特

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《电源学报》

期刊编号:0378-7753

原文链接:

https://techxplore.com/news/2021-04-batteries-wearable-biofuel-cells-electricity.html

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