可產(chǎn)生1毫瓦的電力，美國(guó)團(tuán)隊(duì)3D打印出由細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的生物電池

2025年8月4日，南極熊獲悉，美國(guó)賓厄姆頓大學(xué)的Seokheun “Sean” Choi 教授帶領(lǐng)的一支多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，正通過激光粉末床熔融（LPBF）3D 打印技術(shù)，探索細(xì)菌供電生物電池的新方法。團(tuán)隊(duì)與機(jī)械工程系的激光粉末床熔融專家 Dehao Liu 助理教授合作，利用這種金屬增材制造方法，生產(chǎn)出具有精細(xì)調(diào)節(jié)的孔隙率和表面粗糙度的不銹鋼微結(jié)構(gòu)。

Dehao教授解釋道：“激光粉末床熔融技術(shù)非常適合生物電池，因?yàn)樗�能夠制造出高精度、可定制且具有�?fù)雜幾何形狀的 3D 結(jié)構(gòu)，這對(duì)于最大化表面積和能量密度至關(guān)重要。” 這種設(shè)計(jì)改善了細(xì)菌的定植情況，同時(shí)也促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送和廢物的清除 —— 這些都是過去碳基和聚合物基陽極材料面臨的主要難題。

項(xiàng)目得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) 2024 年的一筆資助。


△賓厄姆頓大學(xué)的研究人員研發(fā)出一種由細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的生物電池，可產(chǎn)生 1 毫瓦的電力

系統(tǒng)內(nèi)部：細(xì)菌如何發(fā)電

這種生物電池通過細(xì)菌內(nèi)生孢子驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。內(nèi)生孢子是微生物的休眠形式，能夠在惡劣環(huán)境中存活，并在適宜條件下恢復(fù)活性。系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：陰極（正極）、陽極（負(fù)極）以及促進(jìn)電力產(chǎn)生的離子交換膜。為了達(dá)到最佳性能，陽極必須是三維的，以便細(xì)菌能夠密集定植，同時(shí)又能保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲取和廢物的清除。

Choi 教授表示：“扁平的二維陽極效率很低，它會(huì)限制向細(xì)菌輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也會(huì)阻礙廢物的清除�！�

為了解決這個(gè)問題，研究人員利用激光粉末床熔融技術(shù)制造出具有精確微觀結(jié)構(gòu)控制的 3D 不銹鋼陽極，為細(xì)菌活動(dòng)和能量產(chǎn)生創(chuàng)造了更適宜的環(huán)境。傳統(tǒng)的陽極材料，如碳或聚合物，通常導(dǎo)電性較低，且在加工過程中容易受到熱損傷 —— 而使用金屬基結(jié)構(gòu)則避免了這些問題。

Choi 教授說：“兩年前，我們開始使用不銹鋼網(wǎng)作為陽極，因?yàn)樗�的�?dǎo)電性非常好，結(jié)構(gòu)也非常堅(jiān)固。我們成功地將這種微生物燃料電池整合到此類電子設(shè)備中。但市售不銹鋼網(wǎng)存在一個(gè)問題，我們無法控制其孔隙率和粗糙度。我們只能買來就用，然后把細(xì)菌細(xì)胞放進(jìn)去�！�


△通過將生物電池串聯(lián)或并聯(lián)，研究人員獲得了 1 毫瓦的電力

Choi 教授指出了激光粉末床熔融技術(shù)的潛力，通過激光選擇性地熔化和凝固金屬粉末薄層來構(gòu)建 3D 金屬部件。通過將多個(gè)生物電池串聯(lián)或并聯(lián)，團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生了接近 1 毫瓦的電力 —— 足以驅(qū)動(dòng)一個(gè) 3.2 英寸的薄膜晶體管液晶顯示屏，這是 Choi 教授以往的生物電池設(shè)計(jì)中功率最大的輸出之一。此外，這種不銹鋼結(jié)構(gòu)使得細(xì)菌細(xì)胞能夠重復(fù)使用，且性能不會(huì)顯著下降。

展望未來，團(tuán)隊(duì)打算通過開發(fā)一種集成 3D 打印方法，同時(shí)制造所有生物電池組件，來簡(jiǎn)化制造流程。他們還計(jì)劃實(shí)施電源管理策略 —— 類似于太陽能系統(tǒng)中使用的策略，通過更好地控制充放電循環(huán)來提高能源效率。