利用紙基生物燃料電池為一次性電子產品供電

作者 : Anne-Françoise Pelé,EE Times Europe

法國BeFC (Bio-enzymatic Fuel Cells)開發的紙基(paper-based)超薄可攜式生物燃料電池系統使用生物催化劑代替化學或昂貴的金屬催化劑,將天然基材(例如葡萄糖和氧氣)轉化為電力。

可攜式電子設備的日益普及得益於鋰離子電池重量逐漸減輕、尺寸逐漸縮小,以及功耗進一步降低。然而,鋰離子電池存在的安全隱患,以及可能對環境造成的不良影響,使人們在提升效率時頗有顧忌,這驅使廠商尋求成本更低且可持續發展的替代方案。

法國BeFC (Bio-enzymatic Fuel Cells)開發的紙基(paper-based)超薄可攜式生物燃料電池系統使用生物催化劑代替化學或昂貴的金屬催化劑,將天然基材(例如葡萄糖和氧氣)轉化為電力。在2020年的消費電子展上,該解決方案無爭議地贏得了Leyton Sustainable Startup Challenge冠軍,這一方案利用、碳電極和紙基微流控技術,為可攜式和一次性電子設備提供了持續性更好的供電方式。

 

圖1:生物燃料電池。(來源:BeFC)

 

該公司CEO暨共同創辦人Jules Hammond和資深科學家暨共同創辦人Andrew Gross在接受EE Times歐洲記者採訪時描述了BeFC的創建、使命和願景。

EE Times Europe(以下簡稱EETE):創建BeFC的契機是什麼?找出一種合適的方法來替代鋰離子電池的時機到了嗎?

Jules Hammond:BeFC成立於2020年初,是從SATT Linksium分離出來的,總部位於阿爾卑斯山中心的格勒諾布爾(Grenoble)。我們的願景是利用紙和來發電,為低功耗電子產品提供可持續及環保的能源解決方案。

公司創辦人看到了現場診療(point-of-care)及可穿戴醫療設備的成長趨勢,例如,數位化妊娠/排卵測試儀,以及用於糖尿病管理的持續血糖監測儀。問題是這些設備通常由硬幣式或鈕扣式鋰電池供電,這種微型電池中平均97%的化學成分最後要進行垃圾掩埋。

BeFC的仿生紙基生物燃料電池利用將葡萄糖和氧氣轉化為能量,完全採用天然材料,不含任何金屬成份。由於這種電池是紙基的,所以超薄,而且柔軟,非常適合可穿戴電子設備。

格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的Biosystèmes Electrochimiques et Analytiques (BEA)團隊是生物燃料電池技術的領導者,他們最初研發的是植入型設備,為起搏器和其他仿生電子設備供電。實際上,Serge Cosnier的團隊早在2010年就率先將生物燃料電池植入動物體內,但由於植入型醫療器械必須符合相關法規,使開發成本極高,耗時很長,因此在Michael Holzinger的指導下,該團隊決定改變開發方向,為更多傳統電子設備供電。

 

                                                                                                                                  圖2:BeFC CEO暨共同創辦人Jules Hammond。

 

 

圖3:BeFC的目標是讓生物燃料電池成為一次性和低功耗電子產品的不二選擇。(來源:BeFC)

 

EETE:為何你們的技術獨特而具顛覆性?利用生物的優勢在哪裡?

Andrew Gross:我們的核心技術是利用生物催化劑,透過糖的電催化氧化和氧的還原來發電。與使用稀有或有毒金屬催化劑的傳統電池和燃料電池不同,我們的設備採用來實現可持續的高效發電。完全是天然的,在自然界含量非常豐富,即使在溫和條件下也具有出色的選擇性和很高的催化活性,而無需使用有毒溶劑或添加劑。

 

                                                                                                                                      圖4:BeFC資深科學家暨共同創辦人Andrew Gross。

 

EETE:據說BeFC的電池幾乎可以毫無限制地轉化為所有液體,是這樣嗎?

Andrew Gross:生物燃料電池透過燃料和氧化劑的轉化產生能量,這與傳統電池完全不同,傳統電池是傳遞儲存在設備中的能量。由於的優良特性,加上我們的專有紙過濾技術,我們的設備幾乎可以在任何類型的水中工作,甚至可以在血清和尿液等生物液體中工作。後者是一項非常獨特的技術,可以為衛生保健市場帶來全新的產品,這是從前的傳統電池無法實現的。

EETE:BeFC電池的能量儲存能力如何?

Andrew Gross:我們經常被問到有關儲能的問題。我們的生物燃料電池確實受益於電化學贗電容現象,利用這一特性,透過電-轉化過程,可以在短短幾毫秒的時間內提供大量電力,並且可以快速恢復。

EETE:燃料電池「很小」,小到什麼程度?

Andrew Gross:近年來,我們在設備小型化方面取得了重大突破,從笨重的台式原型逐步演進為超薄的生物燃料電池。現在,我們可以生產1cm2的設備,厚度僅幾百微米,功率僅幾毫瓦。利用這種軟性紙基技術,我們可以依照客戶需求生產各種尺寸和規格的生物燃料電池。

我們面臨的一個重大挑戰是擴大規模。目前我們正與戰略夥伴合作,另外有一位造紙業的專家也準備在幾個月內加入BeFC團隊。

EETE:BeFC看到了物聯網的增長潛力,你們的目標市場有哪些?

Jules Hammond:我們對醫療應用很感興趣,因為傳統廢棄電池的處理比較複雜,而且成本高昂,目前其首選方法是焚燒。包裝和物流市場也是我們的目標領域,製造商們希望將電源整合在自己的產品中來提供物聯網/連網解決方案。

EETE:生物燃料電池可用於一次性設備的感測器和微處理器中,但不局限於此,對嗎?

Jules Hammond:無論哪個市場,BeFC均可為低功耗應用提供可持續、環保的能源解決方案:每平方公分僅產生幾毫瓦的功率,可以為微控制器、快閃記憶體和感測器供電,並透過低功耗無線通訊協定(例如BLE、ANT、LoRa和Sigfox)定期傳輸資料。

EETE:採用貴公司電池的首個產品將於何時上市?

Jules Hammond:我們正與多家知名公司合作,以減少他們的產品對環境的污染,同時簡化其處理和回收流程。採用BeFC技術的產品預計將於2022年第一季進入市場。

EETE:公司的短期目標是什麼?實現這些目標是否需要資金支援?

Jules Hammond:BeFC正在完成VC種子輪融資,以便將生產規模擴大到每天生產50,000顆電池,並確立品質保證流程。團隊希望到2020年底完成生產設施的設計,以進行試生產。公司目前有六名核心成員和四名經驗豐富的顧問,希望到2024年在美國啟用第二個生產廠的這幾年時間裡,公司成員能增長到約20名。

EETE:BeFC對未來有何展望?

Jules Hammond:BeFC的長遠目標是使我們的生物燃料電池成為一次性及低功耗電子產品的不二選擇。然而,要實現這一目標,必須得到那些有遠見的公司、電子設備設計師,以及最終使用者的持續支持。借用我們公司的口號總結:「讓我們攜手,利用自然點亮未來」。

(參考原文:Paper-Based Biofuel Cells Power Disposable Electronics,by Anne-Françoise Pelé)

 

 

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