Joule：懒人必备可穿戴电池：睡眠时从指尖汗液中获取能量

漫威系列电影中，钢铁侠所向披靡的战甲提供了外骨骼防护、火箭助推、能量炮、人工智能、全息显示等众多功能，而这套战甲则是靠钢铁侠本人胸口的小型核反应堆来提供源源不断的能量。

（图片来源于电影《复仇者联盟4》）

而在当今社会，我们并没有钢铁侠那种可持续供能的可穿戴小型核反应堆，但具有和钢铁侠战甲类似功能的可穿戴智能设备却遍地开花，快速发展了起来，可它们该如何持续供能呢？高能量密度电池技术发展困难重重的当下，一天一充电可太麻烦了！

高效生物自供电！

依赖于收集生物能量的自供电可穿戴系统应运而生。

生物自供电，想必大家都略有耳闻。体温发电？走路发电？不过这些华而不实的发电方式往往需要人体过量的能量输入，从能源转化效率的角度来看不到1%，可谓是非常之低。

如今，加州大学圣地亚哥分校的研究人员发明了一种迄今最有效的新型生物能量收集器，可不断从人体指尖的汗液中获取能量！

即使没有任何主动运动，这种基于乳酸生物燃料（BFC）的可穿戴电池也可以在手指上连续工作，在睡眠期间收集约400 mJ/cm² 的能量，并且可以很容易地与压电发电机集成，以从指尖按压中协同收集能量，为集成传感系统提供动力。虽然画风清奇，但是十足的高效率！相关研究成果已发表于细胞出版社（Cell Press）旗下的期刊Joule。

过去几十年来，可穿戴电子设备得到了长足的发展，但一直受限于鸡肋的供能系统而没有得到广泛应用，无论是能量密度有限的电池，还是能量投资回报 (EROI) 过低的能量收集器都不够方便实用。

EROI描述了收集的能量与用于激活收集器的主动投入的能量之间的比率。极高的 EROI 对能量收集过程的长期实用性和可行性至关重要，被视为可穿戴电源向可穿戴电子设备的可持续运行的关键。

理想的能量采集器，应该既不依赖外部环境，也不依赖主动机械运动，而是靠人体非主动输入，从而实现几乎“零投入”高输出，从而被作者所认为是能量采集设备的“圣杯”。

研究人员开发了专门收集手指汗液的乳酸生物燃料电池（BFC），该BFC的电极由柔性、多孔、吸水的3D碳纳米管（CNT）泡沫构成。CNT泡沫在阳极和阴极位点用乳酸氧化酶（LOx）和纳米多孔Pt装饰，分别用于氧化和还原汗液中高浓度的乳酸，从而用于生物电催化发电。

CNT泡沫收集到汗液后，进一步采用多孔的聚乙烯醇（PVA）水凝胶来促进汗液从指尖持续转移到BFC电极，同时保留乳酸燃料以实现连续收集。

（A）在不同乳酸盐浓度（1、5、10、15、20、25 mM）下BFC的电荷功率密度；（B）不同电位下BFC的均位功率密度；（Ci）0.4V电位时不同的乳酸浓度下的BFC功率密度；（Cii）具有不同乳酸盐浓度的BFC与PVA凝胶的功率校准图。

有些人可能疑惑，收集汗液为什么要选择指尖？与其他身体部位不同，其实指尖的出汗率相当高（80~160g / h），非常适用于BFC提供动力，而无需100个波比跳或1小时蒸桑拿进行额外排汗。汗液中乳酸的浓度越高，该BFC的功率或开路电压也越高。

这种直接接触指尖的BFC能量收集器不需要任何主动的机械能输入，睡一觉即可在10小时的美梦中连续收集300 mJ/cm²的能量。

若想主动输入机械能也可以，轻轻地单次按压（仅消耗0.5 mJ机械能）即可获得超过30 mJ的能量，从而实现高达6000%的EROI，而反复接触按压则可以在更短的时间内收集更多能量。如果再结合锆钛酸铅（PZT）压电发电机，可以进一步提高手指按压的能量收集效率。

睡一觉，玩会手机，再敲完一篇论文，电脑就顺便充好电了，真的是懒人必备，似乎还不错？

纸上谈兵可不行，让我们来看看这种高效的混合能量收集器的实战性能吧！

研究人员将这种可穿戴能量收集器连接上维生素C/钠离子电子传感系统，这个还包含具有专用低功率的电致变色显示器（ECD）的传感器在BFC的驱动下可以正常工作。

与之前报道的需要剧烈运动或大量出汗运动的生物能源收集器相比，该电池大小仅为2 cm²，却具有相似的能量收集性能，同时还表现出更高的能量收集效率。总的来说，它为可穿戴生物自供电电池的能量采集效率设定了更高的标准，极大地增强了现有生物能量收集技术的实用性，并为建立可靠独立的下一代可持续皮肤电子传感系统提供了巨大的希望。

原文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00292-0

本文由Silas供稿。