智能燃料电池建模（新型柔性燃料电池）

导读

最近，美国加州大学圣迭戈分校的工程师团队开发出一种可伸缩的燃料电池，它可以从汗液中提取能量，为LED和蓝牙适配器之类的电子产品供电。未来，它有望为一系列的可穿戴设备供电。

关键字

柔性、可穿戴技术、电池

背景

可穿戴设备，是指可以穿戴在身上，或者整合到衣服和配饰中的一种便携式的电子设备。目前，可穿戴设备已经成为业界重点关注的又一热门领域，无论是国外的苹果、谷歌、微软，还是国内的华为、小米、魅族，科技巨头们都纷纷推出了各自的可穿戴电子产品。

这些可穿戴产品包含：智能织物、智能皮肤、智能手环、智能手表、智能贴片、智能手套等。可穿戴产品种类非常丰富，功能也日趋多样，包括：人机交互、定位通话、运动监测、健康诊断等。

随着技术的发展，柔性电子为可穿戴设备注入了新的活力，使其一改之前硬梆梆、笨重的形象，变得更加轻薄、可弯曲、可拉伸，从而使用户感到更舒适、更便携、更耐用。

然而，为了突破可穿戴设备的关键瓶颈：电池。各种自供电技术纷纷出现，例如利用太阳能、人体运动、环境热量等为可穿戴设备供电。但是，目前这些技术大多处于实验室阶段，离大规模商用尚有一段距离。

那么，我们还是重新聚焦于电池本身，寻找新的突破吧。笔者介绍过与电池本身相关的一系列创新技术进展，让我们先回顾一下几个与可穿戴技术相关经典案例：

• 宾汉姆顿大学和纽约州立大学开发的一种存在于一张纸上，由细菌提供能量的电池。

（图片来源：Seokheun）

• 伊利诺伊大学开发的一款带有微型太阳能充电单元的电池，它不仅具有很好的弹性，而且轻便和舒适，适合像创可贴一样贴在人体皮肤上。

（图片来源：J. Rogers，伊利诺伊大学）

• 加州大学圣地亚哥分校开发的可充电的锌电池，它具有柔性、可伸缩、可印刷等特点，未来有望用于穿戴设备、传感器和其他电子设备等产品。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

创新

今天介绍的创新技术也是和可穿戴设备的电池相关。最近，美国加州大学圣迭戈分校的工程师团队开发出一种可伸缩的燃料电池，它可以从汗液中提取能量，为LED和蓝牙适配器之类的电子产品供电。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

研究人员将他们的科研成果发表在六月份的《Energy & Environmental Science》杂志。在这篇论文中，他们描述了他们是如何将生物电池连接到定制的电路板上，以及演示了当一个人穿着该设备在一个健身脚踏车上锻炼时，设备能为LED供电。

这项研究的领导者是加州大学圣迭戈分校可穿戴传感器中心的主任 Joseph Wang 教授。他与电气工程教授、中心的合作主任 Patrick Mercier，以及纳米工程教授 Sheng Xu 展开了合作，他们都是加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院的一员。

技术

得益于化学、先进材料和电子接口等领域知识的交叉融合，加州大学圣迭戈分校的工程师们才取得如此重大的突破。为了让设备具备足够的可伸缩性和电能，他们一直努力耕耘，直到研发出这种表皮生物燃料电池。他们使用了光刻技术和丝网印刷技术，制造出三维碳纳米管基的阴极和阳极阵列，为可伸缩的柔性电子设备奠定了基础。

很多朋友都会关心一个问题：生物燃料电池是如何通过汗水获取能量的？ 简单说，生物燃料电池具有一种酶，它能氧化人体汗液中存在的乳酸以产生电流，从而将汗水变成了一种能量源。

从技术上说，这项创新还有一个非常重要的关注点，就是“桥和岛”的结构。为了兼容于可穿戴设备，生物燃料电池需要变得柔性和可伸缩。所以，工程师们决定使用Xu的研究组开发的结构，他们称之为“桥和岛”。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

从根本上说，电池由一排圆点组成，每个圆点之间由弹簧形状的结构相互连接。一半的圆点组成了电池的阳极；另外一半则组成了阴极。这种弹簧状的结构可被拉伸和弯曲，从而使得电池具有柔性，并且不破坏阳极和阴极。首先，这种“桥和岛”的结构的基底通过光刻技术进行制造，由金制成。第二步，研究人员使用丝网印刷技术，将生物燃料材料层沉积到阳极点和阴极点的顶部。

研究人员面临的最大的技术挑战就是：增加燃料电池的能量密度，也就是让单位面积可以产生更多的能量。增加能量密度是提高燃料电池性能的关键。电池产生的能量越多，它们就越强大。

为了提高能量密度，工程师们采用丝网印刷的方法，在阳极和阴极的顶部制作了一个三维碳纳米管结构。该结构让工程师们能为每个阳极点加载更多的酶，这种酶能在阴极点处，与乳酸和氧化银发生反应。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

生物材料电池与 Mercier 研究小组制造的定制电路板相连接。这种电路板是一个DC/DC的转换器，能够使得燃料电池产生的电力变得平稳，从而消除由于用户汗水数量不稳定而带来的波动，让它变成具有恒定电压的稳定电源。

研究人员为四个受试者配备了该生物燃料电池和电路板的组合，让他们在健身脚踏车上锻炼。受试者能够为一盏蓝色LED灯供电约4分钟。

价值

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

这项技术结合了现有的制造技术，设计了独特的结构确保电池的柔性和可伸缩性，采用人体上很容易获取的汗水作为生物燃料产生电能。这种生物燃料电池与现有的可穿戴的生物燃料电池相比，单位表面积产生的能量要高出10倍。它为可穿戴设备的供电又提供了一种新的方式。

未来

未来的研究工作将主要在两个方面。首先，在阴极处使用的氧化银是光敏的，且随着时间推移会发生退化。从长远来看，研究人员需要找到一种更加稳定的材料。

另外，人体汗液中的乳酸浓度会随着时间推移而被稀释。这就是为什么受试者在蹬脚踏车时，只能点亮LED四分钟而已。团队正在开发一种在乳酸浓度足够高时存储能量的新方法，然后逐渐地释放能量。

参考资料

【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2288

【2】Amay J. Bandodkar, Jung-Min You, Nam-Heon Kim, Yue Gu, Rajan Kumar, A. M. Vinu Mohan, Jonas Kurniawan, Somayeh Imani, Tatsuo Nakagawa, Brianna Parish, Mukunth Parthasarathy, Patrick P. Mercier, Sheng Xu, Joseph Wang. Soft, stretchable, high power density electronic skin-based biofuel cells for scavenging energy from human sweat. Energy Environ. Sci., 2017; 10 (7): 1581 DOI: 10.1039/c7ee00865a

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