Joule：懶人必備可穿戴電池：睡眠時從指尖汗液中獲取能量

漫威系列電影中，鋼鐵俠所向披靡的戰甲提供了外骨骼防護、火箭助推、能量炮、人工智能、全息顯示等眾多功能，而這套戰甲則是靠鋼鐵俠本人胸口的小型核反應堆來提供源源不斷的能量。

（圖片來源于電影《復仇者聯盟4》）

而在當今社會，我們并沒有鋼鐵俠那種可持續供能的可穿戴小型核反應堆，但具有和鋼鐵俠戰甲類似功能的可穿戴智能設備卻遍地開花，快速發展了起來，可它們該如何持續供能呢？高能量密度電池技術發展困難重重的當下，一天一充電可太麻煩了！

高效生物自供電！

依賴于收集生物能量的自供電可穿戴系統應運而生。

生物自供電，想必大家都略有耳聞。體溫發電？走路發電？不過這些華而不實的發電方式往往需要人體過量的能量輸入，從能源轉化效率的角度來看不到1%，可謂是非常之低。

如今，加州大學圣地亞哥分校的研究人員發明了一種迄今最有效的新型生物能量收集器，可不斷從人體指尖的汗液中獲取能量！

即使沒有任何主動運動，這種基于乳酸生物燃料（BFC）的可穿戴電池也可以在手指上連續工作，在睡眠期間收集約400 mJ/cm²?的能量，并且可以很容易地與壓電發電機集成，以從指尖按壓中協同收集能量，為集成傳感系統提供動力。雖然畫風清奇，但是十足的高效率！相關研究成果已發表于細胞出版社（Cell Press）旗下的期刊Joule。

過去幾十年來，可穿戴電子設備得到了長足的發展，但一直受限于雞肋的供能系統而沒有得到廣泛應用，無論是能量密度有限的電池，還是能量投資回報 (EROI)?過低的能量收集器都不夠方便實用。

EROI描述了收集的能量與用于激活收集器的主動投入的能量之間的比率。極高的 EROI 對能量收集過程的長期實用性和可行性至關重要，被視為可穿戴電源向可穿戴電子設備的可持續運行的關鍵。

理想的能量采集器，應該既不依賴外部環境，也不依賴主動機械運動，而是靠人體非主動輸入，從而實現幾乎“零投入”高輸出，從而被作者所認為是能量采集設備的“圣杯”。

研究人員開發了專門收集手指汗液的乳酸生物燃料電池（BFC），該BFC的電極由柔性、多孔、吸水的3D碳納米管（CNT）泡沫構成。CNT泡沫在陽極和陰極位點用乳酸氧化酶（LOx）和納米多孔Pt裝飾，分別用于氧化和還原汗液中高濃度的乳酸，從而用于生物電催化發電。

CNT泡沫收集到汗液后，進一步采用多孔的聚乙烯醇（PVA）水凝膠來促進汗液從指尖持續轉移到BFC電極，同時保留乳酸燃料以實現連續收集。

（A）在不同乳酸鹽濃度（1、5、10、15、20、25 mM）下BFC的電荷功率密度；（B）不同電位下BFC的均位功率密度；（Ci）0.4V電位時不同的乳酸濃度下的BFC功率密度；（Cii）具有不同乳酸鹽濃度的BFC與PVA凝膠的功率校準圖。

有些人可能疑惑，收集汗液為什么要選擇指尖？與其他身體部位不同，其實指尖的出汗率相當高（80~160g?/ h），非常適用于BFC提供動力，而無需100個波比跳或1小時蒸桑拿進行額外排汗。汗液中乳酸的濃度越高，該BFC的功率或開路電壓也越高。

這種直接接觸指尖的BFC能量收集器不需要任何主動的機械能輸入，睡一覺即可在10小時的美夢中連續收集300 mJ/cm²的能量。

若想主動輸入機械能也可以，輕輕地單次按壓（僅消耗0.5 mJ機械能）即可獲得超過30 mJ的能量，從而實現高達6000%的EROI，而反復接觸按壓則可以在更短的時間內收集更多能量。如果再結合鋯鈦酸鉛（PZT）壓電發電機，可以進一步提高手指按壓的能量收集效率。

睡一覺，玩會手機，再敲完一篇論文，電腦就順便充好電了，真的是懶人必備，似乎還不錯？

紙上談兵可不行，讓我們來看看這種高效的混合能量收集器的實戰性能吧！

研究人員將這種可穿戴能量收集器連接上維生素C/鈉離子電子傳感系統，這個還包含具有專用低功率的電致變色顯示器（ECD）的傳感器在BFC的驅動下可以正常工作。

與之前報道的需要劇烈運動或大量出汗運動的生物能源收集器相比，該電池大小僅為2 cm²，卻具有相似的能量收集性能，同時還表現出更高的能量收集效率。總的來說，它為可穿戴生物自供電電池的能量采集效率設定了更高的標準，極大地增強了現有生物能量收集技術的實用性，并為建立可靠獨立的下一代可持續皮膚電子傳感系統提供了巨大的希望。

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

本文由Silas供稿。