未來的電池,可能是用病毒做的

作者 | 發布日期 2020 年 03 月 14 日 14:00 | 分類 生物科技 , 電池 follow us in feedly


新冠病毒已經成為目前全世界最大的敵人。它讓很多人只能「自囚」於家中,讓我們不得不壓抑自己的消費慾望,全球電影業因疫情面臨 50 億美元損失,全球航空業的收入則可能減少 1,130 億美元。在這個特殊時期,似乎沒有人想和病毒扯上關係,但也有科學家想利用病毒造福人類。

麻省理工學院的一位生物工程教授安吉拉‧貝爾徹(Angela Belcher),已經成功研製出用病毒製造的電池,而她的終極夢想,是能夠駕駛由「病毒電池」驅動的汽車

製造病毒電池

病毒電池其實不是最近才出現的技術,早在 2009 年,由安吉拉‧貝爾徹帶領的科研團隊就已經利用一種直徑只有 6 奈米的病毒,製造出只有細胞大小的微型電池。

這項研究還吸引了時任美國總統歐巴馬的興趣,貝爾徹受邀前往白宮為歐巴馬展示了這種病毒電池。當時歐巴馬正計劃投入 20 億美元用於支援新電池技術的開發,而貝爾徹的病毒電池則揭示了電池領域一個新的方向。

科學家怎麼用病毒來製造電池?病毒電池和普通電池又有什麼不同?要解答這些問題,首先需要簡單了解電池的工作原理。

一般鋰電池的放電和充電,是內部的鋰離子透過電解液在正極和負極之間運動實現的,正極使用的材料一般為磷酸鹽,無論是硫酸鹽還是鋰離子,這種材料也廣泛存在地球各種生命體中,因此用生物來製作電池在邏輯上是可行的。

不過要製造這種電池,首先就要找到可以充當電極和導線的生物結構。一開始貝爾徹打算用採用人造神經纖維,因為動物的神經纖維末梢就是天然的奈米導線,但這種方式的成本和技術難度都太高,最終只能放棄。

後來貝爾徹在鮑魚殼身上找到了答案,他們發現鮑魚可以分泌出一種蛋白質,可從富含礦物質的水中提取碳酸鈣分子,並讓其在體內定向排列,進而形成鮑魚殼。於是貝爾徹將編碼這種蛋白的基因移植到病毒,讓病毒擁有生成奈米結構的能力,用來製作電極和導線。

在自然情況下,鮑魚要形成一個完整的貝殼需要 15 年,而經過基因編輯,在實驗室內病毒生產一個電極只需要 2 星期。

研究團隊在分析了數百萬種病毒後,最後選擇了 M13 噬菌體,這是一種形似雪茄的病毒,直徑只有 6 奈米,長度 880 奈米。這種病毒除了可以將機械能轉化為電能,而且遺傳物質簡單,易於操控。

與鮑魚類似,這種病毒會在表面生成一種蛋白質,吸附氧化鈷微粒並覆蓋在外殼,當數百萬個病毒連接起來,就能形成一條氧化鈷線,可以做為電極使用。

在這個過程中,這些連成一線的病毒都是活的。眾所周知,病毒需要宿主才能存活,研究人員將病毒感染無害的細菌,來大量複製病毒。

透過這種方式製造的電池,不僅能提升電池的能量密度、壽命和充電效率,生產過程也更加環保。相比於微型電池所用的碳奈米管電極材料,病毒組裝而成的電極儲能效率提升了兩倍。

▲ 普渡大學研發出的銻奈米鏈負極。(Source:CHEMIE.DE

將奈米結構用於電池做為電極材料,近年來被認為是突破目前鋰電池瓶頸的一個重要方向。因為奈米電極能更多、更快地吸收和釋放帶電離子,因此可以將電池做得更小、更輕且容量更大。

約翰‧霍普金斯大學應用物理實驗室的高級電池研究科學家 Konstantinos Gerasopoulos 表示,使用病毒的好處在於,它們本身就以「奈米」的形式存在,本質上就是用於合成電池材料的天然模板。

當然你可能會擔心,利用病毒製造電池,萬一病毒洩露感染人類,不就危險了嗎?

貝爾徹表示,他們使用的病毒均已經過無害化基因改造,只會感染特定的細菌宿主,而且並不致命,只會使被感染細菌的生長速度減慢。此外,這種電池報廢後可生物降解,不會像過去的鋰電池一樣對環境造成污染。

▲ 安吉拉‧貝爾徹。(Source:MIT News

經過 10 年的研究,貝爾徹的病毒電池已經取得了不少新突破。病毒已經可以和 150 多種材料一起使用,用以製造太陽能電池等產品。

雖然目前這種病毒電池只能供電給手電筒、雷射筆、手錶和 LED 燈等小型電子設備,但是貝爾徹一直在嘗試將這種技術推出市場,她與別人聯合創辦了 2 家生物科技公司 Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies,就是利用病毒來合成用於觸控螢幕的奈米線,以及將二氧化碳轉化為乙烯。

▲ 貝爾徹的病毒電池原型機。(Source:MIT Museum

但要實現貝爾徹理想中的「病毒電池驅動的汽車」,目前還難以做到,病毒電池的商業化存在 2 個比較大的問題。

一是病毒體積太小,可一般電池工廠所需的原材料高達數十噸,以目前的生物分子技術實現這種規模的量產並不容易,但 Gerasopoulos 也表示「這個障礙未來並非無法克服」。

二是病毒電池部分性能還比不上傳統的電池,貝爾徹曾用病毒製造太陽能電池,但其技術效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提並論。

前面提到的鮑魚,能有序地排列鈣分子形成外殼,病毒電池雖然借鑒了這一原理,但目前病毒組裝的電極結構依然是隨機的,貝爾徹團隊正在研究如何讓病毒生成更加有序的電極結構。

儘管目前病毒電池還不夠成熟,但貝爾徹表示,她的研究是希望用生物技術來解決一些目前尚未解決的問題。

除了病毒電池,貝爾徹還利用病毒組裝技術開發出能發現腫瘤的奈米粒子,可以發現那些以為體積太小而無法被醫生髮現的癌組織,這對早期癌細胞的檢測有很大提升。

當這種病毒奈米粒子進入體內,會定向附著在癌細胞上,在紅外光照射下會發出熒光,以此來標記癌細胞的位置。在對小鼠的實驗中,這項技術成功讓接受卵巢癌手術的小鼠壽命延長 40%。

100 多年前,人類就開始用細菌發電

用病毒製造電池這個概念看似新穎,但你可能不知道,早在 100 多年前,人類就開始利用微生物的能量進行發電了。

1911 年,英國植物學家 Michael Cressé Potter 發現大腸桿菌可將有機物中的化學能轉化為電能,他以鉑做為電極,利用大腸桿菌和酵母菌的培養液,製作了世界第一個細菌電池

不過直到 1976 年,日本科學家 Suzuki 才製造出現代意義的微生物燃料電池(MFC)。到了 80 年代,倫敦皇家學院的 Peter Bennetto 以糖液做為養料,讓細菌在電池組裡分解分子,釋放出電子向陽極運動以產生電腦,經計算這種細菌電池的發電效率比如今的太陽能電池還高 40%。

在過去幾十年間,人類陸續發現了更多可以發電的細菌。從用於去除地下鈾污染物的地桿菌到我們腸道內部的厭氧糞腸球菌,都具有轉移電子發出電能的能力。

不久前發表於《自然》雜誌的「空氣發電機」(air-powered generator)研究,就是利用微生物地桿菌產生的導電蛋白奈米線形成了 7 微米的薄膜做為電極。

(Source:麻薩諸塞大學阿默斯特分校

當蛋白奈米線與電極相連後,就可以利用薄膜從空氣中吸收水分,水分子被分解成氫離子和氧離子,導致電荷在薄膜頂部聚集,利用兩個電極形成的電荷差讓電子流動,進而產生電能。

研究稱這種「空氣發電機」可以 7 天 24 小時不間斷地發電,而且過程中不需要外部電源。即便在極度乾燥的地方,比如撒哈拉沙漠,一樣能發電,目前「空氣發電機」已經能為小型電子設備供電。

此外,用細菌製作的太陽能電池,甚至可以在陰天裡正常發電。不列顛哥倫比亞大學的研究團隊就用大腸桿菌開發了一種廉價、可持續的太陽能電池,不僅能產生比同類設備更強的電流,發電效率幾乎不會受到光照強度的影響。

研究人員對大腸桿菌進行基因改造後,讓其可以生成番茄紅素,這種色素吸收光線並轉化為能量的效率很高,透過與一種礦物質結合覆蓋在玻璃表面,就能做為電池陽極。

▲ 細菌太陽能電池示意圖。(Source:TANAKA

不過這種技術還在初期階段,細菌會在發電過程中死亡,還難以達到傳統太陽能電池的發電量。研究人員希望將這種細菌電池用於礦井和深海勘探等微光環境。

利用細菌進行發電的好處在於,驅動這些生物燃料電池的養料隨處可見,且成本不高。腐爛的水果、工業廢水、生活污水,甚至尿液和化糞池的水可以做為養料,既環保又經濟。

(Source:New Frame

西英格蘭大學的生物能源研究小組曾在 2015 年大學校園裡建立了 2 個行動廁所,在小便池放置了 8 個由微生物燃料電池構成的電池模組,利用尿液驅動這些微生物燃料電池,來為 LED 燈發電。

▲ 尿液驅動細菌發電的原理圖。(Source:New Frame

此外,這個研究小組還試圖經由類似方式來為手機發電,預計需要 600 ml 尿液(約成年人尿 2 次),就能為手機充電 6 小時,讓手機續航 3 小時。

電池的未來,可以交給這些微生物嗎?

無論是病毒電池,還是發展了 100 多年的生物燃料電池,迄今為止都沒有被大規模商用。除了轉換效率不夠高和難以大規模量產外,成本問題也是一個不可忽視的問題。雖然細菌本身和所需的養料所需的成本都很低,但生產過程中使用的生物催化劑卻十分昂貴。

但科學家正在解決這些問題,生物燃料電池依然存在替代傳統電池的可能性。尤其是小型的可穿戴裝置和心臟起搏器植入式電子設備,通過這種技術提供電源十分實用,也更加接近於商用。

正如之前一篇文章所說的,電池限制了我們對智慧產品的想像力。

傳統鋰電池的能量密度有限,過去 20 年都沒有取得太大的突破,這限制了電動車的發展,更讓全電動大型客機成為天方夜譚,像波音 737 這種大型飛機,所需的電池重量甚至要比機身更重,這顯然無法商業化。

▲ 電動車內電池組的單節電池。

同時生產鋰電池所需的稀有金屬,本身產量就有限,隨著人類對電池的需求增加,成本也不斷提高。雖然人類已經嘗試潛入深海採礦,但也帶來了不少關於環保問題的爭議,商業化的前景並不明朗。

如果病毒電池和細菌電池能實現低成本的大規模量產,到那時我們就真的就擁有取之不盡的電池原材料了,電池領域也將進入一個全新的階段。

科幻電影《駭客任務》曾描繪過一個完全靠生物電池提供的世界,只不過電影裡是人類被當做電池,來為機器人提供電力。

電池的未來,或許就這個星球的生物體內。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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