仿生科技新突破，以維他命 B2 驅動葡萄糖電池改寫儲能市場

美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）首席研究員 Jong-Hwa Shon 及其團隊在《ACS Energy Letters》期刊發表重大研究成果，成功開發出以維他命 B2（核黃素）和葡萄糖為動力源的液流電池原型。這項突破性技術模擬人體代謝機制，將普通糖分轉化為可用電力，其室溫功率密度已達到商用釩液流電池水平，為全球價值 9.22 億美元的釩液流電池市場帶來低成本、無毒性的競爭方案。該技術採用天然可分解材料，完全避開鉑金等貴金屬催化劑的成本瓶頸，預計將重新定義住宅與小型裝置的能源儲存標準。

傳統葡萄糖燃料電池長期依賴鉑或金等貴金屬催化劑來分解糖分子並釋放電子，但這些金屬價格高昂且難以工業化量產，導致電池輸出功率受限。Shon 團隊的創新在於用核黃素完全取代金屬催化劑，該維他命即使在葡萄糖電解質所需的高鹼性環境中仍能保持穩定性。研究團隊使用碳電極構建原型，負極電解質含有葡萄糖與活性核黃素，正極則分別測試了高鐵氰化鉀和氧氣兩種配置。

採用高鐵氰化鉀的版本在室溫下達到與商用釩液流電池相當的功率密度，證明維他命催化劑可媲美金屬系統的表現。氧氣版本雖然反應較慢，但功率密度仍高於以往的葡萄糖型設計，且在大規模量產上具備更實用和更具成本效益的潛力。

在全球能源轉型浪潮下，液流電池市場正經歷爆發性增長，亞太地區 2024 年能源儲存系統市值達 3,012 億美元，預計 2025 年將增至 4,024 億美元，到 2034 年更將飆升至 2.44 兆美元，年複合成長率高達 22.2%。釩液流電池市場規模預計從 2025 年的 9.22 億美元增長至 2030 年的 20.9 億美元，年複合成長率達 17.85%，主要驅動力來自中國和美國超過 4 小時的大型電網儲能項目快速部署。

然而釩電解液成本占系統總值的 43%，成為市場擴張的主要障礙。核黃素─葡萄糖系統的出現恰好填補了這個市場缺口，其天然豐富的原料來源和無毒特性，為住宅能源儲存提供更安全、更實惠的替代方案。國際能源署（IEA）預測全球儲能容量必須在 2030 年前擴展至 1,500 吉瓦，其中 90% 將來自電池技術，這為新型電池化學提供了巨大的商業化空間。

產業專家看好仿生技術應用前景

研究主持人 Jong-Hwa Shon 表示：「核黃素與葡萄糖液流電池能夠從天然衍生的能源產生電力，使用的是無毒、價格低廉且自然界中豐富的元件，為更安全、更實惠的住宅能源儲存開創極具潛力的方向。」液流電池與傳統電池的根本差異在於將能量儲存在流動的液態電解質中，當電解質在正負電極間移動時會發生化學反應以釋放或儲存能量，這種設計使其特別適合長時間儲能應用。葡萄糖基生物燃料電池領域的研究指出，這類電池因其環保的構造和低成本生物基材料而日益受到關注，特別是在植入式醫療裝置領域已有應用案例，如心律調節器和除顫器的動力來源。

印度昌迪加爾大學化學系研究員 Indrani Chakraborty 在 2024 年 6 月發表的評論文章中指出，葡萄糖生物燃料電池對葡萄糖具有出色的專一性，加上體積小、重量輕的特性，使其在各種嚴苛應用環境中極具吸引力。

克服光敏挑戰是商業化關鍵

雖然技術前景看好，研究團隊也坦承目前仍面臨挑戰，主要問題在於氧氣版本的光敏性──當氧氣暴露於光線時會分解核黃素，導致電池自放電現象。研究人員計劃透過調整維他命與電解質的交互作用，以及改善整體電池工程設計來解決這個問題。從更廣泛的住宅儲能市場角度來看，2025 年該市場正面臨多重挑戰，包括初始安裝成本高、電池壽命和性能衰退問題，以及不同地區缺乏統一的監管標準。

這項研究的重要性除了技術本身，更在於開闢了全新的能源儲存思路──從生物學中汲取靈感，利用天然豐富的材料創造可持續的解決方案。與需要複雜供應鏈和稀有金屬的傳統電池相比，核黃素─葡萄糖系統的原料在植物中普遍存在，具有成本低廉、天然且可生物分解的優勢。釩液流電池雖然在大型電網儲能領域占據優勢，但其高昂的電解液成本和複雜的供應鏈限制了在住宅市場的普及。若 Shon 團隊能成功解決光敏問題並改善系統性能，核黃素─葡萄糖液流電池有機會在住宅和小型裝置領域開闢新的市場區隔，成為永續能源儲存生態系統的重要一環。

這項技術突破為能源產業帶來三大啟示：首先，仿生學方法可能是突破傳統技術瓶頸的有效途徑，從自然界尋找靈感或能開啟全新的解決方案。其次，住宅儲能市場正處於技術多元化的關鍵時期，企業應密切關注非鋰離子、非金屬催化劑的創新技術發展。第三，隨著亞太地區能源儲存市場在 2025 至 2034 年間預計增長超過 8 倍，及早布局新興技術將是搶占市場先機的關鍵。

未來的研究方向將聚焦於提升電池穩定性、延長使用壽命，以及開發適合大規模生產的製造工藝，這些都將決定該技術能否從實驗室走向市場。在全球致力於實現碳中和目標的背景下，核黃素─葡萄糖電池這類創新技術的成功商業化，將為建構更清潔、更韌性的能源系統提供重要支撐。

（本文由 Unwire Pro 授權轉載；首圖來源：ACS Energy Letters）