「只需土壤和微生物！」 插入土中即可運作的新型電池誕生
2024年1月16日，來自西北大學的一支研究團隊展示了一種驚人的新型發電方式。他們開發了一種大小僅與平裝書相當的裝置，這個裝置埋在土壤中，可以利用微生物分解泥土時產生的能量——只要土壤中有「碳」就能源源不斷地產生電力。
這種被稱為微生物燃料電池的技術已有100多年的歷史。它們的工作原理有點像電池，包含陰極、陽極和電解液——但與從化學源抽取電能不同的是，它們利用自然分解土壤的細菌，這些細菌在進食過程中將電子自然地傳輸到附近的導體上。
迄今為止的問題在於如何在被埋在泥土中的同時，為它們提供水分和氧氣。該團隊的西北大學校友、項目負責人Bill Yen表示：「儘管微生物燃料電池的概念已經存在一個多世紀，但它們表現不穩定且輸出功率低，特別是在低濕度條件下，這阻礙了它們的實際應用。」
團隊為此設計了幾種新型結構，旨在使電池能夠持續接觸到氧氣和水分。他們找到了成功的設計，這種設計形狀像一個豎立在水平碟片上的墨盒。碟形碳氈陽極水平放置在裝置底部，深埋在土壤中，可以在微生物分解泥土時捕獲電子。
新型圓盤陽極設計 確保水分供應
與此同時，導電金屬陰極豎立在陽極上方。因此，底部足夠深入土壤以接觸到深層土壤的濕氣，而頂部則與地面齊平。一個新鮮的空氣間隙貫穿整個電極的長度，而頂部的保護蓋阻止泥土和碎屑掉落並切斷陰極對氧氣的接觸。陰極的部分區域也塗有防水材料，所以即使發生洪水，仍有一部分疏水性的陰極接觸到氧氣，保持燃料電池運行。
在測試中，這種設計在不同的土壤濕度水平下都表現出一致的性能，從完全水下到「有些乾燥」，土壤的含水量僅為體積的41％。平均而言，它產生的功率是操作其機載濕度和觸摸檢測系統所需功率的68倍，並通過微小天線向附近的基站傳輸數據。
與其他超長期發電源（如使用核廢料製成的鈽電池）一樣，這裡產生的功率並不大，不足以驅動一輛土壤動力汽車或智能手機。它更多的是關於為小型傳感器供電，這些傳感器可以長期運行，而不需要經常更換電池。
Yen表示：「如果我們想象一個未來，有數萬億這樣的設備，我們不能每一個都用鋰、重金屬和對環境有害的毒素來建造。我們需要尋找替代方案，它們可以提供少量能量，為分散的設備網絡供電。在尋找解決方案時，我們看向了土壤微生物燃料電池，它們利用特殊的微生物分解土壤，並利用那些微量的能量來為傳感器供電。只要土壤中有機碳供微生物分解，燃料電池就有可能永遠持續。」
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首圖來源：Bill Yen/Northwestern University cc By4.0
圖片來源：Bill Yen/Northwestern University cc By4.0
參考論文：
1.Soil-Powered Computing: The Engineer’s Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell DesignProceedings of the ACM on Interactive
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