超薄燃料电池利用人体自身的糖分发电

葡萄糖是我们从我们吃的食物中吸收的糖分。它是为我们体内每个细胞提供动力的燃料。葡萄糖还能为明天的医疗植入物提供动力吗?

麻省理工学院和慕尼黑工业大学的工程师都这么认为。他们设计了一种新型葡萄糖燃料电池，可将葡萄糖直接转化为电能。该装置比其他提议的葡萄糖燃料电池更小，厚度仅为 400 纳米，约为人类头发直径的 1/100。含糖电源每平方厘米产生约 43 微瓦的电力，在环境条件下实现了迄今为止任何葡萄糖燃料电池的最高功率密度。

新设备还具有弹性，能够承受高达 600 摄氏度的温度。如果结合到医疗植入物中，燃料电池可以通过所有可植入设备所需的高温灭菌过程保持稳定。

新设备的核心由陶瓷制成，这种材料即使在高温和微型尺度下也能保持其电化学特性。研究人员设想，新设计可以制成超薄膜或涂层，并包裹在植入物周围，利用人体丰富的葡萄糖供应被动地为电子设备供电。

“葡萄糖在体内无处不在，我们的想法是收集这种现成的能量并将其用于为可植入设备提供动力，”Philipp Simons 说，他在麻省理工学院材料科学与工程系的博士论文中开发了该设计。 DMSE)。“在我们的工作中，我们展示了一种新的葡萄糖燃料电池电化学。”

Simons 的论文 Jennifer LM Rupp 说：“您可以使用薄膜制造设备，而不是使用可能占据植入物体积 90% 的电池，并且您将拥有一个没有体积足迹的电源。”导师，DMSE客座教授，德国慕尼黑工业大学固态电解质化学副教授。

西蒙斯和他的同事今天在《先进材料》杂志上详细介绍了他们的设计。该研究的合著者包括 Rupp、Steven Schenk、Marco Gysel 和 Lorenz Olbrich。

“硬”分离

新型燃料电池的灵感来自 2016 年，当时专门研究陶瓷和电化学设备的 Rupp 在怀孕快要结束时进行了常规葡萄糖测试。

“在医生的办公室里，我是一个非常无聊的电化学家，想着你可以用糖和电化学做什么，”鲁普回忆道。“然后我意识到，拥有一个以葡萄糖为动力的固态设备会很好。菲利普和我在喝咖啡时见面，并在餐巾纸上写下了第一幅画。”

该团队并不是第一个构思葡萄糖燃料电池的人，该电池最初是在 1960 年代引入的，并显示出将葡萄糖的化学能转化为电能的潜力。但当时的葡萄糖燃料电池基于软聚合物，很快就被碘化锂电池取代，后者将成为医疗植入物的标准电源，尤其是心脏起搏器。

然而，电池的尺寸有限，因为它们的设计需要物理容量来存储能量。

“燃料电池直接转换能量而不是将其存储在设备中，因此您不需要将能量存储在电池中所需的所有体积，”Rupp 说。

近年来，科学家们再次将葡萄糖燃料电池视为潜在的更小的能源，直接由人体丰富的葡萄糖提供燃料。

葡萄糖燃料电池的基本设计由三层组成：顶部阳极、中间电解质和底部阴极。阳极与体液中的葡萄糖发生反应，将糖转化为葡萄糖酸。这种电化学转换释放出一对质子和一对电子。中间电解质的作用是将质子与电子分离，将质子传导通过燃料电池，在那里它们与空气结合形成水分子——一种无害的副产物，随体液流走。同时，隔离的电子流向外部电路，可用于为电子设备供电。

该团队希望通过修改通常由聚合物制成的电解质层来改进现有材料和设计。但是聚合物的特性，连同它们传导质子的能力，在高温下很容易降解，当缩小到纳米尺寸时很难保持，而且很难消毒。研究人员想知道是否可以将陶瓷——一种可以自然传导质子的耐热材料——制成葡萄糖燃料电池的电解质。

“当你想到用于这种葡萄糖燃料电池的陶瓷时，它们具有长期稳定性、可扩展性小和硅芯片集成等优势，”Rupp 指出。“它们坚硬而健壮。”

峰值功率

研究人员设计了一种葡萄糖燃料电池，其电解质由二氧化铈制成，二氧化铈是一种具有高离子电导率的陶瓷材料，机械强度高，因此被广泛用作氢燃料电池的电解质。它也被证明是生物相容的。

“癌症研究界正在积极研究二氧化铈，”西蒙斯指出。“它也类似于用于牙齿植入物的氧化锆，具有生物相容性和安全性。”

该团队将电解质与由铂制成的阳极和阴极夹在中间，铂是一种容易与葡萄糖反应的稳定材料。他们在一个芯片上制造了 150 个单独的葡萄糖燃料电池，每个大约 400 纳米薄，大约 300 微米宽(大约 30 根人类头发的宽度)。他们将电池图案化到硅晶片上，表明这些设备可以与常见的半导体材料配对。然后，他们测量了每个电池在定制测试站中将葡萄糖溶液流过每个晶片时产生的电流。

他们发现许多电池产生的峰值电压约为 80 毫伏。鉴于每个电池的尺寸很小，该输出是任何现有葡萄糖燃料电池设计中最高的功率密度。

“令人兴奋的是，我们能够获得足以为植入式设备供电的功率和电流，”西蒙斯说。

“这是第一次将电陶瓷材料中的质子传导用于葡萄糖到能量的转换，定义了一种新型的电化学，”Rupp 说。“它将材料用例从氢燃料电池扩展到新的、令人兴奋的葡萄糖转换模式。”

挪威奥斯陆大学化学教授特鲁斯·诺比(Truls Norby)没有参与这项工作，他说，研究人员“开辟了一条新途径，为植入传感器和其他功能的微型电源开辟了一条新途径。”“所使用的陶瓷无毒、便宜，而且对体内条件和植入前的消毒条件都呈惰性。到目前为止，这个概念和示范确实很有希望。”