鋰電池限制智慧產品的想像!科學家正在用病毒打造未來電池
鋰電池限制智慧產品的想像!科學家正在用病毒打造未來電池

新冠病毒,已經成為目前全世界最大的敵人。

它讓很多人只能「自囚」於家中,社畜們結束了996生活,卻迎來了007的在家辦公,還逼得小學生組隊給網路課程軟體打一星。

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它讓我們不得不壓抑自己的消費慾望,全球電影業因疫情面臨50億美元(約新台幣1,504億元)損失,全球航空業的收入則可能減少1,130億美元(約新台幣3.4兆元)。

在這個特殊時期,似乎沒有人想和病毒扯上關係,可也有科學家想利用病毒造福人類。

麻省理工學院的一位生物工程教授安吉拉·貝爾徹(Angela Belcher),已經成功研製出用病毒製造的電池,而她的終極夢想,是能夠駕駛由「病毒電池」驅動的汽車。

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製造病毒電池

病毒電池其實不是最近才出現的技術,早在2009年,由安吉拉·貝爾徹帶領的科研團隊就已經利用一種直徑只有6奈米的病毒,製造出只有細胞大小的微型電池。

這項研究還吸引了時任美國總統歐巴馬的興趣,貝爾徹受邀前往白宮為歐巴馬展示了這種病毒電池。當時歐巴馬正計劃投入20億美元(約新台幣601億元)用於支持新電池技術的開發,而貝爾徹的病毒電池則揭示了電池領域一個新的方向。

到底科學家是怎麼用病毒來製造電池的?病毒電池和普通電池又有什麼不同?要解答這些問題,首先需要簡單了解電池的工作原理。

一般的鋰電池的放電和充電,是內部的鋰離子透過電解液在正極和負極之間運動實現的,正極使用的材料一般為磷酸鹽,無論是硫酸鹽還是鋰離子,這種材料也廣泛存在地球各種生命體中,因此用生物來製作電池在邏輯上是可行的。

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圖/ 愛范兒

不過要製造這種電池,首先就要找到可以充當電極和導線的生物結構。一開始貝爾徹打算用採用人造神經纖維,因為動物的神經纖維末梢就是天然的奈米導線,但這種方式的成本和技術難度都太高,最終只能放棄。

後來貝爾徹在鮑魚殼身上找到了答案,他們發現鮑魚可以分泌出一種蛋白質,可從富含礦物質的水中提取碳酸鈣分子,並讓其在體內定向排列,從而形成鮑魚殼。於是貝爾徹將編碼這種蛋白的基因移植到病毒,讓病毒擁有生成奈米結構的能力,用來製作電極和導線。

貝殼
鮑魚殼
圖/ 愛范兒

在自然情況下,鮑魚要形成一個完整的貝殼需要15年,而經過基因編輯,在實驗室內病毒生產一個電極只需要兩星期。

研究團隊在分析了數百萬種病毒後,最後選擇了M13噬菌體,這是一種形似雪茄的病毒,直徑只有6奈米,長度880奈米。這種病毒除了可以將機械能轉化為電能,而且遺傳物質簡單,易於操控。

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圖/ 愛范兒

與鮑魚類似,這種病毒會在表面生成一種蛋白質,吸附氧化鈷微粒並覆蓋在外殼,當數百萬個病毒連接起來,就能形成一條氧化鈷線,可以作為電極使用。

在這個過程中,這些連成一線的病毒都是活的。眾所周知,病毒需要宿主才能存活,研究人員將病毒感染無害的細菌,來大量複製病毒。

透過這種方式製造的電池,不僅能提升電池的能量密度、壽命和充電效率,生產過程也更加環保。 相比於微型電池所用的碳奈米管電極材料,病毒組裝而成的電極儲能效率提升了兩倍。

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普渡大學研發出的銻納米鏈負極
圖/ 愛范兒

將奈米結構用於電池作為電極材料,近年來被認為是突破目前鋰電池瓶頸的一個重要方向。因為奈米電極能更多、更快地吸收和釋放帶電離子,因此可以將電池做得更小、更輕、且容量更大。

約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的高級電池研究科學家康斯坦丁諾斯·杰拉索普洛斯(Konstantinos Gerasopoulos)表示,使用病毒的好處在於,它們本身就以「奈米」的形式存在,本質上就是用於合成電池材料的天然模板。

當然你可能會擔心,利用病毒製造電池,萬一病毒洩露感染人類,不就危險了嗎?

貝爾徹表示,他們使用的病毒均已經過無害化基因改造,只會感染特定的細菌宿主,而且並不致命,只會使被感染細菌的生長速度減慢。此外這種電池報廢後可生物分解,不會像過去的鋰電池一樣對環境造成污染。

經過10年的研究,貝爾徹的病毒電池已經取得了不少新的突破。病毒已經可以和150多種材料一起使用,用以製造太陽能電池等產品。

雖然目前這種病毒電池只能給手電筒,雷射光筆,手錶和LED燈等小型電子裝置供電,但是貝爾徹一直在嘗試將這種技術推出市場,她共同創辦了兩家生物科技公司,Cambrios Technologies和Siluria Technologies,就是利用病毒來合成用於觸控螢幕的奈米線,以及將二氧化碳轉化為乙烯。

但要實現貝爾徹理想中的「病毒電池驅動的汽車」,目前還難以做到,病毒電池的商業化存在兩個比較大的問題。

一是病毒體積太小,可一般電池工廠所需的原材料高達數十噸,以目前的生物分子技術實現這種規模的量產並不容易,但杰拉索普洛斯也表示「這個障礙未來並非無法克服」。

二是病毒電池部分性能還比不上傳統的電池,貝爾徹曾用病毒製造太陽能電池,但其技術效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提並論。

前面提到的鮑魚,能有序地排列鈣分子形成外殼,病毒電池雖然借鑒了這一原理,但目前病毒組裝的電極結構依然是隨機的,貝爾徹團隊正在研究如何讓病毒生成更加有序的電極結構。

儘管目前病毒電池還不夠成熟,但貝爾徹表示,她的研究是希望用生物技術來解決一些目前尚未解決的問題。

除了病毒電池,貝爾徹還利用病毒組裝技術開發出能發現腫瘤的奈米粒子,可以發現那些以為體積太小而無法被醫生發現的癌組織,這對早期癌細胞的檢測有很大提升。

當這種病毒奈米粒子進入體內,會定向附著在癌細胞上,在紅外光照射下會發出螢光,以此來標記癌細胞的位置。在對小鼠的實驗中,這項技術成功讓接受卵巢癌手術的小鼠壽命延長40%。

100多年前,人類就開始用細菌發電

用病毒製造電池這一概念看似新穎,但你可能不知道,早在100多年前,人類就開始利用微生物的能量進行發電了。

1911年,英國植物學家邁克爾·克里塞·波特(Michael Cressé Potter)發現大腸桿菌可將有機物中的化學能轉化為電能,他以鉑作為電極,利用大腸桿菌和酵母菌的培養液,製作了世界第一個細菌電池。

不過直到1976年,日本科學家鈴木(Suzuki)才製造出現代意義的微生物燃料電池(MFC)。到了80年代,倫敦皇家學院的彼得·貝內托(Peter Bennetto)以糖液作為養料,讓細菌在電池組里分解分子,釋放出電子向陽極運動以產生電腦,經計算這種細菌電池的發電效率比如今的太陽能電池還高40%。

在過去幾十年間,人類陸續發現了更多可以發電的細菌。從用於去除地下鈾污染物的地桿菌到我們腸道內部的厭氧糞腸球菌,都具有轉移電子發出電能的能力。

不久前發表於《自然》雜誌的「空氣發電機」(air-powered generator)研究,就是利用微生物地桿菌產生的導電蛋白奈米線形成了7微米的薄膜作為電極。

當蛋白奈米線與電極相連後,就可以利用薄膜從空氣中吸收水分,水分子被分解成氫離子和氧離子,導致電荷在薄膜頂部聚集,利用兩個電極形成的電荷差讓電子流動,從而產生電能。

研究稱這種「空氣發電機」可以7天24小時不間斷地發電,而且過程中不需要外部電源。即便在極度乾燥的地方,比如撒哈拉沙漠,一樣能發電,目前「空氣發電機」已經能為小型電子裝置供電。

此外用細菌製作的太陽能電池,甚至可以在陰天裡正常發電。英屬哥倫比亞大學的研究團隊就用大腸桿菌開發了一種廉價、永續的太陽能電池,不僅能產生比同類裝置更強的電流,發電效率幾乎不會受到光照強度的影響。

研究人員對大腸桿菌進行基因改造後,讓其可以生成番茄紅素,這種色素吸收光線並轉化為能量的效率很高,透過與一種礦物質結合覆蓋在玻璃表面,就能作為電池陽極。

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細菌太陽能電池示意圖
圖/ 愛范兒

不過這種技術還在初期階段,細菌會在發電過程中死亡,還難以達到傳統太陽能電池的發電量。研究人員希望將這種細菌電池用於礦井和深海勘探等微光環境。

利用細菌進行發電的好處在於,驅動這些生物燃料電池的養料隨處可見,且成本不高。腐爛的水果、工業廢水、生活污水,甚至尿液和化糞池的水可以作為養料,既環保又經濟。

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圖/ 愛范兒

西英格蘭大學的生物能源研究小組曾在2015年大學校園裡建立了兩個移動廁所,在小便池放置了8個由微生物燃料電池構成的電池模塊,利用尿液來驅動這些微生物燃料電池,來為LED燈發電。

此外這個研究小組還試圖透過類似的方式來為手機發電,預計需要600ml尿液(約成年人尿兩次),就能為手機充電6小時,給手機續航3小時。

電池的未來,可以用交給這些微生物嗎?

無論是病毒電池,還是發展了100多年的生物燃料電池,迄今為止都沒有被大規模商用。除了轉換效率不夠高和難以大規模量產外,成本問題也是一個不可忽視的問題。雖然細菌本身和所需的養料所需的成本都很低,但生產過程中使用的生物催化劑卻十分昂貴。

但科學家正在解決這些問題,生物燃料電池依然存在替代傳統電池的可能性。尤其是小型的可穿戴裝置和心臟起搏器植入式電子裝置,透過這種技術提供電源十分實用,也更加接近於商用。

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圖/ 愛范兒

正如此前一篇文章所說的,電池限制了我們對智慧產品的想像力。

傳統鋰電池的能量密度有限,過去20年都沒有取得太大的突破,這限制了電動車的發展,更讓全電動大型客機成為天方夜譚,像波音737這種大型飛機,所需的電池重量甚至要比機身更重,這顯然無法商業化。

同時生產鋰電池所需的稀有金屬,本身產量就有限,隨著人類對電池的需求增加,成本也不斷提高。雖然人類已經嘗試潛入深海採礦,但也帶來了不少關於環保問題的爭議,商業化的前景並不明朗。

如果病毒電池和細菌電池能實現低成本的大規模量產,到那時我們就真的就擁有取之不盡的電池原材料了,電池領域也將進入一個全新的階段。

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圖/ wikipedia

科幻電影《駭客任務》曾描繪過一個完全靠生物電池提供的世界,只不過電影裡是人類被當做電池,來為機器人提供電力。

電池的未來,或許就這個星球的生物體內。

責任編輯:林芳如

本文授權轉載自:愛范兒

關鍵字: #能源科技
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影音體驗成行動網路新戰場!Opensignal 揭台灣大哥大奪「雙料冠軍」,連網穩定撐起高負載影音與 AI 協作
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現代人手機不離手,通勤時滑短影音、午休追串流影劇、下午開視訊會議,網路影音應用成為工作與生活的普遍情境。然而,一旦畫面卡頓、畫質不穩,或聲畫不同步,使用體驗立刻打折,甚至影響工作效率與專業判斷。

也因此,網路品質不再只是「快不快」的問題,更關乎能否在高使用量的日常情境下,維持穩定、連續的表現;對此,第三方評測也採用更貼近使用者情境的方式衡量網路體感。而 Opensignal 最新報告指出,台灣大哥大在影音體驗相關項目是業界唯一同時拿下「影音體驗」與「5G 影音體驗」雙項獎項的電信商,其中,關鍵的差異是什麼?

為何「影音體驗」是網路品質的關鍵指標?

愈來愈多消費者入手旗艦機,追求的不只是硬體規格,還有流暢的 AI 應用與多工協作。然而,無論是視訊即時翻譯或雲端會議,這些高階功能都有一個共同前提:網路必須穩定。一旦網路品質不佳導致畫質下降或音畫不同步,旗艦級的 AI 功能將形同虛設。

這也意味著,檢驗網路價值的標準已經改變。如今,不能只看單點測速的瞬間峰值,更重要的是高負載情境下的耐力表現。因此,比起單點測速,影音體驗會是更完整的測試標準,直接挑戰了網路在室內深處、移動途中或人潮聚集時的網路實力;而唯有在長時間串流下依然不卡頓、不降畫質,才稱得上是高品質的連線。

換言之,隱身在硬體背後的電信商,才是發揮旗艦機性能的關鍵;唯有透過最佳網路品質,才能讓手中的旗艦機既是規格領先、也是體驗領先。

唯一影音體驗雙料冠軍,Opensignal 權威認證的有感體驗

雖然相較於測速數據,影音體驗更貼近日常使用,但也更難量化。對此,國際權威認證 Opensignal 的「影音體驗分數」,依循 ITU 國際標準,透過真實用戶裝置在行動網路上進行影音串流的實測數據,觀察不同電信網路在實際使用情境下的表現。

簡單來說,評測聚焦三項核心指標:影片載入時間、播放期間的卡頓率,以及畫質(解析度)是否能穩定維持。使用者從開始播放到持續觀看的整體品質,分數以 0–100 呈現,分數愈高,代表在三項指標的表現愈佳。相較於單點測速,這類評測更能呈現長時間、高使用量下的網路品質。

人流情境不降速.jpg
圖/ 數位時代

而在今年最新公布的 Opensignal 評測中,台灣大哥大獲得「影音體驗」獎項唯一雙料冠軍。其中,「整體影音體驗」為全台獨得第一名,「5G 影音體驗」則與遠傳並列第一。

之所以能在影音體驗拔得頭籌,關鍵在於台灣大哥大目前是全台唯一整合 3.5GHz 頻段 60MHz 與 40MHz、形成 100MHz 總頻寬的電信業者,亦是現階段全台最大 5G 黃金頻寬配置。頻寬愈寬,代表單位時間內可傳輸的資料量愈大;在大量使用者同時進行影音串流、視訊互動的狀態下,更能維持穩定傳輸、減少壅塞發生機率。

台灣大獲權威認證,NRCA技術撐起穩定基礎

除了頻寬帶來的流量優勢,台灣大哥大也採用「NRCA 高低頻整合技術」,也就是透過高低頻協作,讓 3.5GHz 負責高速傳輸、700MHz 補強覆蓋與室內連線,改善室內深處與移動情境的訊號落差,提升連線連續性。

同時,為了讓住家、通勤動線、商圈與觀光熱點等高使用場域維持穩定表現,台灣大哥大已在全台超過213個住宅、觀光及商圈熱點完成 100MHz 布建,提升人流密集區的網路覆蓋率。

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圖/ dreamstime

值得注意的是,在今年的 Opensignal 評比中,台灣大哥大還拿下了「5G 語音體驗」與「網路可用率」兩項第 1 名,累計獲得 4 項獎項。這意味著不僅具備影音體驗優勢,在語音互動與連線率等關乎用戶日常應用的基礎指標,皆有亮眼成績。

尤其,隨著影音與即時互動成為新世代的工作常態,網路品質的重要性只會持續上升。無論是遠距協作所仰賴的視訊與畫面共享即時同步,內容創作對直播與即時上傳連續性的要求,或是 AI 視訊互動、即時翻譯與會議摘要等新應用,都高度依賴低延遲與穩定的資料傳輸。網路品質因此不再只是連線條件,更是支撐內容生產、協作效率與新應用落地的基礎能力,甚至直接牽動競爭力。

而台灣大哥大經 Opensignal 認證、於多項關鍵指標領先業界,不僅將成為 AI 時代的重要後盾,也讓使用者能更充分發揮高階手機的效能,把「快、穩、滑順」落實在每天的工作與生活中。

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