生物电池（一种新型电池）

生物电池

一种新型电池

生物电池（bio-fuel cells），是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。

工作原理

生物电池，用一种芽胞杆菌来处理人的排泄物，生产氨气，氨气作为电极活性物质，在铂电极发生电极反应，用于宇宙飞船中。2013年科学家已经发现，可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为电能。这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流，或称“生物电池(bio batteries)”诞生。

特点

与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优势。1、它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。2、不同于现有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。3、生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳。4、生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体5、在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。

原理

生物电池的阳极由嗜糖酶和介质组成，阴极由释氧酶和介质组成，两极都有一层玻璃纸隔离膜。阳极通过如下的酶氧化反应从糖（葡萄糖）中分解出电子和氢离子：

葡萄糖—>葡萄糖酸+ 2 H+ + 2e-

氢离子通过隔离膜流到阴极，氢离子和电子与空气中的氧结合，生成水：

(1/2) O2 + 2 H+ + 2e- —> H2O

通过这一电化学反应过程，电子经过外围电路，产生了电。

分类及工作方式

按反应场所的不同

1. 单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。

2. 多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。

3. 细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。

它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体内”，“于生物体外”以及“与生物体细胞外”。

按生物催化剂的来源不同

微生物电池

微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。基本反应类型分为四步：

在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。

介体捕获电子并将其运送至阳极。

电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。

氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。

阳极反应：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e

阴极反应：6O2+24H++24e-→12H2O

酶电池

酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：

葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。

阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-

阴极反应：H2O2+2H++2e-→2H2O

电化学反应形式

生物电池工作时，是将燃料的化学能转化为容易进行电化学反应的形式。有如下两种方法：

一是用酶氧化燃料，所得的酶反应生成物再进行电极反应的方式（电子传递系统不配对的体系）

二是用具有辅酶的酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原的辅酶再在电极上进行氧化的方式（电子传递系统配结的体系）。

普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。

优越性

与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优势：

1. 它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。

2. 不同于现有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。

3. 生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳。

4. 生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体

5. 在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。

主要成果

1. 增强电极酶固化和介质的技术 

为有效地分解葡萄糖，阳极的酶和介质浓度必须很高，并依然具有活性。该技术使用了两种聚合物来将这些组分附着到阳极上。两种聚合物的电荷相反，因此在两种聚合物之间产生的静电感应可以让酶和介质有效地附着到阳极上。为从葡萄糖中有效地分解出电子，离子平衡和固化过程被做了优化。 

2. 有效结合氧的阴极结构 

阴极内的水分对确保为有效的酶促氧化作用提供最佳条件致关重要。生物电池用多孔碳作为电极，可以吸附固化酶和介质，两个电极通过玻璃纸隔离开来。电极结构和固化过程的优化确保了适当的水分，增强了阴极的反应性。 

3. 为满足生物电池的结构要求而进行的电极优化 

在有关酶的研究中一般使用约0.1 M的磷酸缓冲液，不过生物电池中使用了浓度非常高的1.0 M缓冲液。这是因为人们已经发现，如此高的浓度可以有效地保持电极固化酶的活性。

4. 测试电池将高能输出和小巧外观集为一身 

高能、小巧的生物电池的测试电池，采用三种技术制造而成。生物电池不要求葡萄糖溶液或空气的混合或对流，因为这是一种被动性电池，只通过为电池供应糖溶液来产生能量。方块状（每边39毫米长）的电池可以产生50 mW的能量，这是全球相当体积的被动型生物电池所能输出的最高能量。连接方块状的电池后，它可以为闪存式Walkman (NW-E407)播放器和一对被动型喇叭（无需外部电源）提供足够的能量。生物电池的外包装由植物塑料（聚乳酸）制成，并设计成了生物电池的形状。

技术规格

酶:葡萄糖脱氢酶和心肌酶 (阳极) 

胆红素氧化酶(阴极) 

介质:维生素 K3 和辅助因子NADH(阳极) 

铁氰化钾(阴极) 

电极:多孔碳

集电器：钛网

隔离膜: 玻璃纸

葡萄糖溶液：0.4 M葡萄糖加1.0 M磷酸钙缓冲液，PH值7.0 

最大输出:连接1分钟时1.5 mW/cm2 (0.3V, 5 mA/cm2) 

OCV:0.8 V

生物测试电池的规格：

大小：39 (宽) x 39 (高) x 39 (长)毫米 

体积：40 立方厘米 (不包括外包装) 

最大输出：50 mW

用途

随着世界经济的高速发展和人口的不断增长,能源短缺和环境污染问题日益成为制约发展的瓶颈。微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)能将污染物中蕴含的化学能直接转化为电能,实现同步污水处理和电能回收,是一种极具前景的可持续污水处理技术。

1、 改善汽车的燃料结构。

使用生物燃料电池，1L糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶25-30Km，如果汽车的油箱为50L的话，装满后可连续行驶1000Km而不需要再补充能源。这样，一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的空气污染问题，另一方面还可避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至是爆炸。

2、 污水处理

2005年，美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布，已成功研制一种新型的微生物电池。可以将未处理过的污水，通过微生物降解，转变为清洁的水和电能。

3、 在机器人应用中

2001年，英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为“Slugbot”的机器人，用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中，在酶的作用下将其转化为电能。

2000年美国南佛罗里达大学科学家研制出一种可使用肉类食物补充能量的机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池，为机器人运动和工作提供动力。

这种关于机器人的设想还有很多，比如在机器人体内安装一块微生物电池，让机器人和人类一样可以“吃饭”，并将“吃”下的食物（或富含能量的东西）通过微生物电池转化成电能提供给机器人。这种技术主要被用于高拟态机器人（与人类有极高相似度的机器人）、野外探险机器人、和军用机器人。

4、 在航空航天上的应用

为处理密闭的宇宙飞船里宇航员排出的尿液，美国宇航局设计了一种新型生物电池。用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，生成氨气，以氨气作为微生物电池的电极活性物质。这样既处理了尿液，又得到了电能。一般在宇航条件下，平均每天可得到47瓦电力。

实例

人体电池

植入人体为体内设备提供能量支持。2005年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量、为心脏起搏器提供能量。

2012年11月，在一项研究中，豚鼠的内耳被成功地转化为生物电池，预示着类似技术很可能在人类身上成为现实。豚鼠的内耳结构与人类的非常相似。研究者将电极植入豚鼠的内耳中，成功地为连接电极的无线电发射器提供了电能。整个过程中，豚鼠的听力未受到大的伤害。这是科学家首次能够控制哺乳动物体内的电化学能，为在人类内耳中植入医疗传感器提供了新途径。

“这项研究将使我们得以发展完全植入人体的电子设备(如带有无线芯片的内耳传感器)，而不需要再植入传统的电池，”麻省理工学院的电子工程师及计算机科学家在电子邮件中说，“这个系统将可以维持自身运转。”

植入的电子设备能够实时监测内耳的健康，还可指示其附近几毫米之内的人体组织如颈动脉、面部神经和大脑颞叶的情况。Chandrakasan的合作者，哈佛大学的听觉外科医生斯坦科维奇(Konstantina Stankovic)称，未来的感受器还可用于检测儿童的听力障碍，或者为士兵以及有听力减弱风险的工人提供帮助。

糖电池

2013年1月，美国弗吉尼亚理工大学研究小组开发出一种电池，以糖为能源提供电力，能量密度达到前所未有的水平，继续发展有望替代传统电池成为一种廉价的、可充电而且可生物降解的电池。

这种糖电池利用了一系列酶，这些酶以一种自然界没有的方式组合在一起。科学家构造了一种非天然式的合成酶路径，能从糖里面获取所有的电荷势能，在一个小小的酶燃料电池中产生电流。传统电池通常是用昂贵的铂金作催化剂，这次用的是低成本的生物催化酶。然后，通过一种酶流注，我们能把糖溶液中的所有电荷缓慢地、一步步地释放出来。

糖电池也是一种联合燃料。研究人员用的是麦芽糊精和空气产生电流和水，麦芽糊精是一种多聚糖，由淀粉部分水解形成，水是主要副产品。研究人员还指出，糖电池和氢燃料电池、直接的甲醇燃料电池不同，糖溶液燃料不会爆炸、燃烧，能量存储密度更高。制造这种电池的酶和燃料还能生物降解。此外，糖电池还能再次充电。

粪便电池

英国和美国的科学家们正在研究利用粪便里的细菌做为新型生物能电池，为手机、平板计算机等电子产品提供稳定、耐久的电力来源。据悉，英国东安格利亚大学、伦敦大学以及美国的太平洋西北国家实验室科学家们正在合作展开研究，探索粪便中希瓦氏菌细胞中电子交换的方式。领衔此次研究的科学家巴特(Julea Butt)教授表示，希瓦氏菌呼吸的时候会送出电荷。在合适的条件下，人类可以利用希瓦氏菌送出体外的电荷，做出小且耐用的电池。

参考资料

1.生物燃料电池·知网

2.生物燃料电池发展态势分析·中国生物工程杂志网