锂电池“足够好”获诺奖，看看另类用“爱”发电？

前几天，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予了3位锂电池大咖，以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

锂电池从发明到现在，已经得到了极大的发展，造福着人类社会。其中生物燃料电池作为能源家族中最特殊的一员，是一种真正意义上的绿色电池。其以有机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂，能量转化率理论上来讲相当高。生物燃料电池主要是依靠电极的生物催化反应将化学染料和氧化剂转化为电能。1911年，英国植物学家Potter用酵母菌和大肠杆菌进行试验，并且利用微生物产生了电流，从此拉开了生物电池的研究序幕。上世纪50年代美国科学家以宇航员的生活废弃物为原料进行研究生物燃料电池，极大的促进了生物电池的发展。此后，开发可植入人体，心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的生物电池引起科学家的极大研究兴趣。至此，生物电池的研究进入多样化。

下面，咱们来细数这些年报道的另类用“爱”发电的真实案例了！看看这些脑洞大开的黑科技和有趣的生物电池。

仿生电鳗电池

电鳗，素有水中“高压线”之称，其捕食猎物时可以轻松放出650 V以上高电压。在2017年，弗里堡大学、加利福尼亚大学和密西根大学的研究小组从鳗鱼的放电器官中获得启发，生物3D打印技术，制作出了由多种水凝胶构成的生物电池（Nature, 2017, (552): 214-219）。该电池可以放出超过100 V的电压，以及其柔软易弯曲和生物相容的特性，非常适合为心脏起搏器、植入式传感器、假肢器官等植入式仪器提供电动力。

研究人员根据电鳗发电的原理3D打印了生物电池（如上图），蓝色的水凝胶中含有高浓度的NaCl溶液，而绿色和黄色的水凝胶分别具有正负离子选择性，扮演着电鳗体内离子通道的作用。当上下两层水凝胶相互接触时，正离子和负离子经由黄绿色通道朝着相反方向流动，形成电流。这样的612个四聚物单元可叠加形成110 V的电压，满足欧洲通用的电源电压标准。另外，为了使大量的四聚物单元可以同时发出电流，研究人员改进了各色水凝胶的排列方式，并采用折叠的方式来实现所有水凝胶同时两两接触，以此稳定并快速地产生高电压电流。

糖果电池

发表在《自然通讯》杂志上的一项研究表明，一种糖生物电池可以完全将糖中的化学能量转变为电流。​糖生物电池的能量存储密度大约是596安培-时/千克(A-h/kg)，相比之下，锂电池的能量存储密度为42安培-时/公斤。这表明糖生物电池比同等重量的现有锂电池持续使用至少10倍的时间。​

糖生物电池是一种酶催化燃料电池(EFC)，是一种发电生物化学设备，能够将糖原和淀粉中的化学能量转变成为电流。同时，酶催化燃料电池使用传统燃料电池相同的工作原理，它们使用酶代替贵金属催化剂来氧化它们的燃料。酶可以使用更复杂的燃料，例如：葡萄糖，同时，更复杂的燃料可使酶催化燃料电池具有更强的能量密度。

纸发电

2007年日本索尼公司展示了一款使用“生物电池”的随身听产品，这采用了一种“有机”电池，通过“消化”食物来获得电能，就像人一样。随后又展示了一款更加新颖的产品——能够“消化”废纸并将其转化为能源的电池。它可以分解废纸成分的酶处理这些废弃物并将其转化为能源的方法。在展会演示中，这种生物电池产生的电能成功地驱动了一台微型风扇。

这种发电的过程更像是一个消化系统。它采用的酶是木纤维质酵素，它可以将纸张中的纤维素分解为葡萄糖，而这正是索尼的这款电池可以将其转化为能源的原料物质。

从2012年就开始立项研究“纸电池”的瑞典林雪平大学有机电子实验室也开发了一款一块巴掌大小，薄如纸张的“纸电池”就能存储高达26800毫安的电量，超过15块iPhone6电池的容量。等“纸电池”一旦成功商业化，必将引起各种便携移动设备的大变革。

该款“纸电池”是由纳米纤维素（nanocellulose），即将纤维素分解成直径大约20nm的纤维。再将这些纳米纤维素浸泡在含有带电聚合物PEDOT:PSS的溶液中，使之与导电聚合物涂层结合封装而成，因此创建过程中无需加入任何有毒化学物质或重金属。而参与项目的博士Jesper Edberg称：“覆盖的纤维缠结在一起，空隙中的带电聚合物液体则作为电解液”，因此这种纸电池拥有特殊的能量储存能力。而新款纸电池的制备工作，与使用纤维纸浆的传统纸张一样（脱水方式相同），实验室内就是用烤箱来脱水完成最终的制备。这样生成的“纸电池”具有良好的延展性和可塑性，甚至可以轻松的折成千纸鹤。并且可以在几秒内完成快速充电，并且充放电的寿命能够达到几千次。

汗液发电

近期，美欧国际研究团队开发出一种独特的可贴在皮肤上的新型柔性可伸展器件，其能通过改变汗液中的化合物产生电能，可持续点亮LED（有机发光二极管）。该团队共同开发出一种柔性导电材料，由碳纳米管、交联聚合物和酶组成，通过可伸展的连接器连接，并通过丝网印刷直接印在材料上。跟随皮肤变形，生物燃料电池通过减少氧气和汗液中存在的乳酸氧化产生电能。一旦应用于手臂，其就会使用升压器为LED持续供电。该燃料电池的生产相对简单且便宜，主要成本是转化汗液中化合物的酶的生产。

在此之前，就有来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究者研制出了一种新型传感器，它使用起来就像一个文身贴纸，可以监测人在运动过程中产生的乳酸，并利用汗液产生能量。

研究者把纹身贴纸贴在了10个健康志愿者上臂，然后让他们在健身车上进行30分钟阻力不断增大的运动，同时测量设备产生的电流。这样，研究者们就能够在运动强度不断改变的情况下，持续监测汗液中的乳酸水平。随后，研究团队又利用这些研究结果制造了一个由汗液驱动的生物电池。电池阳极上附着的酶可以乳酸分子中夺取电子，然后将电子传递到阴极上附着的电子受体上，从而产生电流。

2017年，加拿大滑铁卢大学陈忠伟课题组就设计一种可以利用和转化汗液中化学能的可穿戴装置——柔性光催化燃料电池。这种装置的核心是光电化学电池。它由涂覆有光电催化剂的ITO/PET膜（光电阴极），汗液或生物有机废液浸润的纤维素膜（固体电解质）和氧还原气体扩散电极（阳极）组成。在光激发之下，此种柔性光催化燃料电池可以在平铺和弯曲的状态下进行发电。当人工模拟汗液作为电解质添加到类似吸汗带的可穿戴的柔性光催化燃料电池中时，在光照下电池可以获得的最大功率密度为4.0 mW cm^-2 g^-1.相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600191)上。

尿液发电

看着这个标题，让人无限感慨化腐朽为神奇-----将尿转为电能。只能说，尿性十强，意义重大！

对着小便池嘘嘘，尿液进去之后，通过某些反应，产生一定的电力，而这个电力，将用于小便池的冲水开关的触发系统。研究者说，通常单次嘘嘘产生的电力，用来驱动冲水开关应该够用，而在车站等尿源丰富的地方，如果能够产生富余的电力，还可以收集起来用于厕所的照明之用。当然，至于如何用尿液来发电，大概原理是因为尿液中含有尿素，将尿素分解成水、氮和二氧化碳，这个过程就可以产生电力。

西英格兰大学布里斯托生物能源大学的科研团队做着这样的尝试—将尿液排放到袜子里，然后发电。这听起来可能有点恶心，但实际情况是它并不是直接尿到袜子里，而是通过管子流到安置在袜子里的微型微生物燃料电池（MFC）里边。目前，他们已经用这种方法成功地为一台转换器提供了足够其向台式电脑发送无线信号的电能。柔软的MFC被安装到辅助脚踝部件上，一种仿鱼类的泵则被安置在袜子根部。当穿戴者行走的时候，推拉运动可以让尿液经过MFC，从而生电。相关研究报告已发布在了《Bioinspiration and Biomimetics》上。

并且这也不是该团队首次做这样的实验了。早在2013年，他们就曾经用MFC和尿液为一台手机供能。团队将这种尿液驱动袜称为“首套通过基于微生物燃料电池技术打造的可穿戴能源发生器供能自足系统。”

有新闻报道有非洲女孩发明“尿液发电”新技术：尿液首先被添加到一个电解槽中来分离出氢气，这些氢气随后就通过滤水器进行了过滤，而且其中的任何水分都能够通过一个水硼砂构成的圆柱形装置去除。最后一步将使用氢气来为一台发电机提供能源并且产生电流。一升尿液能发出可供使用6小时的电量。

3个小女孩展示她们发明的发电机

此前，也有报道西英格兰大学鼓励学生及教职员工多多如厕，支持自家发明的这款尿液发电机。制作团队称，该尿液发电机采用微生物发电，用以制成微生物燃料电池的细菌以尿液为营养源。这种廉价环保的发电方式对于贫困地区来说意义重大：夜晚供电不足导致没有照明的公厕里极易发生抢劫及性侵事件。

科研人员制作了一个只有两个立式小便池的简易男厕所，小便池的下方放置了由8个电池模块串联组成的发电装置，整个发电装置包含288个微生物燃料电池，能够容纳尿液25升。厕所的小隔间内安装了4个LED灯具（电压3 V，总功率为1.2 W）。该实验装置用志愿者（学生和老师）提供的新鲜尿液作为“燃料”来驱动微生物燃料电池发电，并供给LED灯进行照明。同时，该研究小组还给手机充电，大约需要600毫升的尿液，就可以为手机充电6小时，并为手机提供通话3小时的电量。

当然，现在看这个发电装置的效率还很低下，而且体积巨大。但我们可以期待微生物燃料电池的体积会越做越小，电池输出功率的密度越来越高，电池成本越来越低。也许在不远的将来，当你发现手机没电了，或者需要照明的时候，用你自己的尿液就可以发电了。

屁发电

甲烷是一种温室气体，全球有 25% 的甲烷来自牛只的屁和打嗝，所以不少人鼓励人们减少吃牛，期望可以减少温室气体排放。改变人类的饮食习惯并非易事，但阿根廷人就尝试收集牛释放的气体用作发电。

牛每天可以排放的屁里面含有300升甲烷气体，如果转化成能源可供一辆汽车跑24小时。真是变废为宝啊，迄今为止，牛是最大的甲烷气体排放源。阿根廷5500万头牛都这样收集再转化的话，相当于多了一项绿色新能源。

头发发电

一个尼泊尔的18岁青年人Malin Karki此前发明了一项突破性的技术，他和同学一起研制出世界首个“太阳能发丝电池板”。

利用头发取代太阳能电池板中的硅胶成分。由于头发的价格相对硅胶便宜很多，因此这一技术有望大幅降低太阳能成本，并给成千上万的人送去可负担得起的可再生能源。这款电池可以为一部手机或一包电池充电，可产生9V或18W的电量。 Karki认为，头发中的黑色素同样对光敏感，因此可以充当导线。

眼泪发电

爱尔兰利莫瑞克大学科学家成功展示了一种可以发电的溶菌酶（lysozyme）。这种溶菌酶大量存在于鸟类的蛋清，哺乳类动物的眼泪、口水，以及乳汁的蛋白质中，在受到挤压时，会因为压电性而产生电流，俗称压电效应。从某种程度上实现了“用眼泪发电”。 该论文发表在Applied Physics Letters（DOI：10.1063/1.4997446）杂志上。

通过施加压力而产生电力的能力，也称为“直接压电效应”。 溶菌酶晶体的压电性不可小觑，因为它与石英属于同一级别。它是一种无毒的生物材料，溶菌酶晶体可以很轻松的从天然材料中制造出来。压电材料可以把作为机械能的压力转化为电能，也可以把电能逆转为机械能。

口水电池

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学毕业的贾丝廷·E·明克博士尝试开发一种可以植入人体，安放在胰腺附近监测糖尿病人血糖水平的微型装置。微生物燃料电池——这种通过向细菌提供有机物(唾液中也富含有机物)，利用细菌代谢产生电流的方法。与她的同时合作利用这种方法，找来高导电性的石墨烯电极，在上面附着了唾液细菌，在一周之内，这些细菌产生了1微瓦(百万分之一瓦)的电量。虽然1微瓦看起来微不足道，却足以驱动诸如芯片、诊断工具、或是团队的糖尿病监测仪这样的微型设备。

美国纽约州北部宾汉姆顿大学研究团队也开发了可以通过唾液驱动的电池。这种“口水电池”被命名为“微生物燃料电池”（MFCs），通过特殊的细菌来驱动电流，口水便是启动细菌的介质。

这种电池的动力主要依赖于一种名为奥奈达湖杆菌的厌氧菌。这种细菌从美国纽约的奥奈达湖湖底分离出来，能够存活于低氧重金属环境，并且能把金属离子还原成金属，常用于纳米技术与废污水处理。微生物燃料电池正是利用了它的这种特性。制作出来的电池样品薄如纸张，阴极由硝酸银制成，阳极为导电聚合物，中间则是冷冻干燥细菌作为储存器。奥奈达湖杆菌能够以葡萄糖类的有机质为食，所以口水就很适合。干燥的细菌遇到口水后就会被唤醒，开始进行呼吸作用。在细菌进行呼吸作用的过程中，就会释放电子与质子，阴极的硝酸银就能够补捉到这些电子，从而产生电流。

粪便发电

其实，大家对于粪便发电并不陌生，现在国内许多农村大型养猪场等地方也利用这些畜禽粪便以及植物秸秆等产生沼气燃烧时带动涡轮发电机发电供用户使用。此前报道日本一养鸡场利用鸡粪发电，5000万只鸡群的粪便能给1万多户人提供用电，每小时可传输6250千瓦的电力. 2016年，该厂出资65亿日元，完成占地6700平方米的四层楼高生物肥料发电厂。将饲养的鸡群排泄物作为发电原料。鸡粪经燃烧和处理后，每小时可传输6250千瓦的电力。

利用家畜粪便发电，在环保上能起着很大作用。日本重视自然能源的地区如北海道，之前也在推行以牛粪来发电。

运动发电

人每天都要动，无论是走路、工作、运动，只要动，就会有轻微的电力产生。一个人产生的能量微不足道，但是地球上70亿人即便仅仅是走路，其产生的能量也将会是一笔可观的电力。于是，有人想出了利用人们走路来发电的方法。

一家拉斯维加斯名叫engoplanet的公司为其研发了一款清洁能源的路灯，其连接着装有三个迷你发电器的的踏板。每次有人走上这个踏板的时候，就会产生5瓦左右的电量，然后就被输送到了电池中去。美国的一家健身房就利用人们健身的时候产生的能量来为场馆提供照明所需的全部电力。这种健身发电机如果20个人每天使用4个小时，一个月就能生产300多千瓦的电力。

德国的卡尔斯鲁厄理工学院的科学家们也研发了两种利用肌肉发电的方式。一种是在下肢上绑定一个发电机，其能够利用移动磁铁和线圈组成的感应来发电。通过感应人体重心的变化，磁铁不断移动，然后产生电量。另一种方式则是在鞋里面装个液垫，通过行走液体会不断流动，由此而在软管内形成液压泵。在反复的运动中，电力就产生了。其实现在生活中，许多电力自行车就是也利用同样的原理，边骑边生电。

血液发电

此前有新闻报道俄罗斯有一位疯狂的艺术家德米特里做了一个发电装置，来为自己的音乐会提供所需电力。那这个发电装置是由什么来驱动的呢？是血液。德米特里分批次从自己身上抽了总计4.5升的血来维持装置的运行（真实性待考）。

目前血液发电主要有两种方式，一种是利用血液自身的流动来发电。复旦大学就将直径为0.8毫米的纤维植入人的血管中，然后从流动的血液中获取能量。其把纤维插入纳米管，然后在纳米管的两端连接一根铜线。在血液流过的时候，其就能够产生电。另一种与血液流动不同，日本科学家们则采用了生化方式。其研制出了一种利用血液中的糖分来发电的燃料电池。在电池上涂上分解血液中葡萄糖的酶，葡萄糖在被分解之后会产生电子，从而产生电流。这种电池的优点是显而易见的，只要人活着，它就一直都有电。

体热发电

物理中有一个泽贝克效应，具体来讲就是两种不同的金属连接起来构成一个闭合回路时，如果两个连接点的温度不一样，就能产生微小的电压。温差越大，产生的电压也就越大。

人是恒温动物，在正常情况下人体和空气中都会有一个温度差。那么，这种温度差就为电流的产生提供了条件。如果在皮肤的表面粘上一个微型发电机的话，电路中就会有电流出现。一款名为Lumen的体温手电筒就已经被发明出来了。人体通过触摸Lumen可以产生15毫安的电流，而这就已经足够电量LED灯泡了。

2018年，中科院金属所报道研制出能够利用体温发电的新材料。研究团队预计，未来5年，这种新材料就可以实现商业化，为蓝牙耳机、健康监测器、手表、智能手环等可穿戴电子设备供电。团队开发的一款柔性、可裁剪碲化铋/纤维素复合热电薄膜电池，首次将高性能碲化铋热电材料与低成本纤维素纸进行网络结构复合，同时具有优异的变形能力，能够充分贴合复杂曲率变化的人体体表，并维持与周围环境的温差，从而提升热能转换效率。

由此我们要是发烧的话就不必难过了，可能别人手机没电了的时候，你还可以因为发烧而给手机提供更多的电力……

仿耳膜发电

有美国媒体报道了一种新型的类似麦克风的系统，听起来更像我们自己的耳朵，几乎不需要外部电源，就可以正常发声，并且该系统可以帮助世界上很多类似麦克风的语音响应设备在不提供外部电源下正常工作成为可能。这种新发明装置被称为“摩擦生电听觉传感器”，即一种摩擦纳米发电机，它通过所谓的摩擦电效应来工作——当两个材料表面相互摩擦时会产生电荷。虽然它们体积小，效率高，但实际上并不能产生很大的能量。重庆大学的研究人员发现，为了探测声音，根本不需要很大的功率，这种电荷量对麦克风的正常使用已经绰绰有余。

耳朵里有耳蜗，是一种长长的封闭的管道，里面充满了液体和运动敏感的细胞。当声音到达耳蜗的末端时，耳蜗的不同部分会根据声音组成的频率而振动。 “摩擦生电听觉传感器”就是这样做的，它基本上是一个由有机硬件完成的傅里叶变换。它的表面都是微小的薄膜，当声波撞击它们时，它们会振动，导致薄膜材料摩擦并产生少量电荷。通过记录不同频率撞击不同膜引起振动而产生的不同电荷，并形成声音图像输出，该装置将其所听到声音的完整图像拼凑在一起，并没有使用任何能量，而是由纳米发电机创造出的声音，它是极其灵敏的，对声波的敏感性非常高。

看到这，可以说为了发电，人类已经被摸遍了全身。

本文由小殇供稿。

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