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利用纸基生物燃料电池为一次性电子产品供电

2020-08-26 13:38:39 Anne-Françoise Pelé 阅读:
锂离子电池存在的安全隐患以及可能对环境造成的不良影响,驱使厂商寻求成本更低且可持续的替代方案。纸基超薄便携式生物燃料电池系统使用生物催化剂代替化学或昂贵的金属催化剂,将天然基材转化为电力。

便携式电子设备的日益普及得益于锂离子电池重量逐渐减轻、尺寸逐渐减小,以及功耗进一步降低。然而,锂离子电池存在的安全隐患以及可能对环境造成的不良影响,使人们在提升效率时颇有顾忌,这驱使厂商寻求成本更低且可持续的替代方案。ANJednc

法国公司BeFC(Bio-enzymatic Fuel Cells)开发的纸基超薄便携式生物燃料电池系统使用生物催化剂代替化学或昂贵的金属催化剂,将天然基材(例如葡萄糖和氧气)转化为电力。在2020年的消费电子展上,该解决方案无争议地赢得了“Leyton Sustainable Startup Challenge”冠军,这一方案利用酶、碳电极和纸基微流控技术,为便携式和一次性电子设备提供了持续性更好的供电方式。ANJednc

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图1:生物酶燃料电池。(图片来源:BeFC)ANJednc

该公司CEO兼联合创始人Jules Hammond和高级科学家兼联合创始人Andrew Gross在接受笔者采访时描述了BeFC的创建、使命和愿景。ANJednc
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创建BeFC的因由是什么?找出一种合适的方法来替代锂离子电池的时机到了吗?ANJednc

Jules Hammond:BeFC成立于2020年初,是从SATT Linksium公司剥离出来的,总部位于阿尔卑斯山中心的格勒诺布尔。我们的愿景是利用纸和酶来发电,为低功耗电子产品提供可持续及环保的能源解决方案。ANJednc

公司创始人看到了现场诊疗(point-of-care)及可穿戴医疗设备的增长趋势,例如,数字化妊娠/排卵测试仪,以及用于糖尿病管理的持续血糖监测仪。问题是这些设备通常由硬币式或纽扣式锂电池供电,这种微型电池中平均97%的化学成分最后要进行填埋处理。ANJednc

BeFC的仿生纸基生物酶燃料电池利用酶将葡萄糖和氧气转化为能量,完全采用天然材料,不含任何金属成份。由于这种电池是纸基的,所以超薄,而且柔软,非常适合可穿戴电子设备。ANJednc

格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Biosystèmes Electrochimiques et Analytiques(BEA)团队是生物燃料电池技术的领导者,他们最初研发的是植入型设备,为起搏器和其他仿生电子设备供电。实际上,Serge Cosnier博士的团队早在2010年就率先将生物燃料电池植入动物体内,但由于植入型医疗器械必须符合相关法规,使开发成本极高,耗时很长,因此在Michael Holzinger博士的指导下,该团队决定改变开发方向,为更多传统电子设备供电。ANJednc

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图2:BeFC公司CEO兼联合创始人Jules Hammond。ANJednc

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图3:BeFC公司的目标是让生物酶燃料电池成为一次性和低功耗电子产品的不二之选。(图片来源:BeFC)ANJednc
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为何你们的技术独特而具颠覆性?利用生物酶的优势在哪里?ANJednc

Andrew Gross:我们的核心技术是利用生物催化剂,通过糖的电催化氧化和氧的还原来发电。与使用稀有或有毒金属催化剂的传统电池和燃料电池不同,我们的器件采用酶来实现可持续的高效发电。酶完全是天然的,在自然界含量非常丰富,即使在温和条件下也具有出色的选择性和很高的催化活性,而无需使用有毒溶剂或添加剂。ANJednc

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图4:BeFC公司高级科学家兼联合创始人Andrew Gross。ANJednc
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据说BeFC的电池几乎可以无限制地转化所有液体,是这样吗?ANJednc

Gross:生物燃料电池通过燃料和氧化剂的转化产生能量,这与传统电池完全不同,传统电池是传递存储在器件中的能量。由于酶的优良特性,加上我们的专有纸过滤技术,我们的器件几乎可以在任何类型的水中工作,甚至可以在血清和尿液等生物液体中工作。后者是一项非常独特的技术,可以为卫生保健市场带来全新的产品,这是从前的传统电池无法实现的。ANJednc
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BeFC电池的能量存储能力如何?ANJednc

Gross:我们经常被问到有关储能的问题。我们的生物燃料电池确实受益于电化学赝电容现象,利用这一特性,通过电-酶转化过程,我们可以在短短几毫秒的时间内提供大量电力,并且可以快速恢复。ANJednc
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燃料电池“很小”,小到什么程度? ANJednc

Gross:近年来,我们在器件小型化方面取得了重大突破,从笨重的台式原型逐步演进为超薄的生物燃料电池。现在,我们可以生产1cm2的器件,厚度仅几百微米,功率仅几毫瓦。利用这种柔性纸基技术,我们可以按客户需求生产各种尺寸和规格的生物燃料电池。ANJednc

我们面临的一个重大挑战是扩大规模。目前我们正与战略伙伴合作,另外有一位造纸业的专家也准备在几个月内加入BeFC团队。ANJednc
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BeFC看到了物联网的增长潜力,你们的目标市场有哪些? ANJednc

Hammond:我们对医疗应用很感兴趣,因为传统废弃电池的处理比较复杂,而且成本高昂,目前其首选方法是焚烧。包装和物流市场也是我们的目标领域,制造商们希望将电源集成在自己的产品中来提供物联网/联网解决方案。ANJednc
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生物燃料电池可用于一次性设备的传感器和微处理器中,但不局限于此,对吗?ANJednc

Hammond:无论哪个市场,BeFC均可为低功耗应用提供可持续、环保的能源解决方案:每平方厘米仅产生几毫瓦的功率,可以为微控制器、闪存和传感器供电,并通过低功耗无线通信协议(例如BLE、ANT、LoRa和Sigfox)定期传输数据。ANJednc
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采用贵公司电池的首个产品将于何时面市?ANJednc

Hammond:我们正与多家知名公司合作,以减少他们的产品对环境的污染,同时简化其处理和回收流程。采用BeFC技术的产品预计将于2022年第一季度投放市场。ANJednc
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公司的短期目标是什么?实现这些目标是否需要资金支持?ANJednc

Hammond:BeFC正在完成VC种子轮融资,以便将生产规模扩大到每天生产50,000颗电池,并确立质量保证流程。团队希望到2020年底完成生产设施的设计,以进行试生产。公司目前有六名核心成员和四名经验丰富的顾问,希望到2024年在美国启用第二个生产厂的这几年时间里,公司成员能增长到约20名。ANJednc
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BeFC对未来有何展望?ANJednc

Hammond:BeFC的长远目标是使我们的生物酶燃料电池成为一次性及低功耗电子产品的不二选择。然而,要实现这一目标,必须得到那些有远见的公司、电子设备设计师以及最终用户的持续支持。借用我们公司的口号来总结:“让我们携起手来,利用自然点亮未来”。ANJednc

(原文刊登于EETimes欧洲版,参考链接:Paper-Based Biofuel Cells Power Disposable Electronics。)ANJednc

本文为《电子技术设计》2020年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ANJednc

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