В Бингемтонском университете США уже более десяти лет разрабатывалась биобатарея, работающая на бактериях. Но существенный скачок в этих исследованиях произошел, когда разработчикам удалось сплавить металл и микробы, используя аноды, напечатанные лазером, для создания мощных многоразовых биобатарей. В результате была создана биобатарея высокой производительности, которая может питать небольшую электронику, используя эндоспоры и нержавеющую сталь, без использования лития или токсичных химикатов. Компоненты указанной батареи были созданы из нержавеющей стали, напечатанные на 3D-принтере.
Как указывается в пресс-релизе Бингемтонского университета, для изготовления прочных анодов была использована обычная сетка из нержавеющей стали, Но команда исследователей, как она сообщила, на начальном этапе не смогла контролировать такие свойства поверхности, как пористость и шероховатость. Эти детали являются ключевыми для роста бактерий и, в свою очередь, выработки электроэнергии. Решения этой проблемы удалось достичь при участии специалистов факультета машиностроения, которые предложили метод лазерного наплавления в порошковом слое (LPBF) - метода 3D-печати, который позволяет создавать металлические конструкции слой за слоем с предельной точностью. “LPBF идеально подходит для биобатарей, поскольку позволяет создавать высокоточные, настраиваемые 3D-структуры сложной геометрии, необходимые для увеличения площади поверхности и плотности энергии”, - указали исследователи.
Совместными усилиями две лаборатории Бингемтонского университета напечатали на 3D-принтере детали аккумулятора, включая анод, катод и герметизирующую крышку.
Эндоспоры служат топливом для электрохимической реакции, которая генерирует электрический ток. Эти спящие формы бактерий проявляют исключительную устойчивость к стрессам окружающей среды и активизируются при благоприятных условиях. Для функционирования биобатареи необходимы три компонента: положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод) и мембрана, в которой ионы, обменивающиеся между собой, генерируют электрический ток. Для получения наилучшей выходной мощности анод, на котором находятся бактерии, должен быть трехмерным, чтобы организмы могли размножаться в минимальном пространстве.
Однако, как сообщили исследователи, стандартные методы изготовления не позволили им создать эффективные 3D-аноды. Большинство вариантов на основе углерода или полимеров неэффективны или требуют высоких температур, которые убивают бактерии. Нержавеющая сталь обладает лучшей электропроводностью и структурой, но сетке, используемой в коммерческих целях, не хватает гибкости конструкции, необходимой для идеальной колонизации бактерий. В этих условиях был использован метод LPBF, который дал команде наномасштабный контроль над формой и структурой, что позволило им спроектировать анод и другие детали для максимальной эффективности и простоты сборки. В результате была создана штабелируемая система, в которой шесть небольших биобатарей вырабатывают почти 1 милливатт, чего достаточно для питания 3,2-дюймового ЖК-дисплея. Компоненты из нержавеющей стали также оказались пригодными для повторного использования. Новый метод 3D-печати позволил исследователям точно настраивать аноды из нержавеющей стали для увеличения выработки энергии бактериями.
Заглядывая в будущее, команда исследователей из Бингемтонского университета хочет упростить процесс, объединив печать всех компонентов аккумулятора. Они также намерены разработать систему управления энергопотреблением, которая может регулировать зарядку и разрядку, аналогично тому, как работают солнечные батареи.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy & Sustainability Research.