賓漢姆頓大學(xué)3D打印不銹鋼陽極讓微生物電池更環(huán)保、更耐用

南極熊導(dǎo)讀：隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備對(duì)微型化、可持續(xù)能源的需求日益增長，3D打印技術(shù)正在為生物電池領(lǐng)域帶來技術(shù)性突破。研究人員通過開發(fā)高性能三維微結(jié)構(gòu)電極，大幅提升生物電池的能量密度和可擴(kuò)展性，為偏遠(yuǎn)環(huán)境和自主設(shè)備的供能提供了全新解決方案。

△3D打印不銹鋼生物電池示意

2025年7月28日，南極熊獲悉，賓漢姆頓大學(xué)Sean Choi教授團(tuán)隊(duì)在生物電池領(lǐng)域取得進(jìn)一步進(jìn)展，成功利用3D打印激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)開發(fā)出新一代高性能細(xì)菌驅(qū)動(dòng)生物電池，為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器等小型自主設(shè)備提供高效、可持續(xù)的能源解決方案。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表于《Advanced Energy & Sustainability Research》期刊上，題目為“邁向可持續(xù)、高性能、可擴(kuò)展的片上生物動(dòng)力：采用3D打印不銹鋼陽極和孢子基生物催化劑的微生物生物電池”（傳送門）

更加堅(jiān)固耐用的生物3D打印電池

近年來，Choi教授致力于以細(xì)菌為燃料的生物電池研發(fā)，特別適用于在海洋、森林等偏遠(yuǎn)地區(qū)及人體內(nèi)部的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，材料性能瓶頸長期制約著生物電池的能量密度與可擴(kuò)展性。2024年，Choi教授與同校激光粉末床熔融技術(shù)專家Dehao Liu助理教授展開跨學(xué)科合作，依托LPBF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度、可定制的不銹鋼三維微結(jié)構(gòu)打印，極大提升了電池的表面積與能量輸出。

△3D打印316L不銹鋼電極的性能

Dehao Liu教授表示：“LPBF技術(shù)能夠打印復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，這對(duì)于優(yōu)化陽極微環(huán)境、促進(jìn)細(xì)菌生長以及提升能量密度至關(guān)重要?！眻F(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的碳或聚合物基材料，不銹鋼網(wǎng)不僅具備更優(yōu)的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，還能通過3D打印精確調(diào)控孔隙度和粗糙度，有效提升生物電池性能。

△3D打印316L不銹鋼電極的電化學(xué)性能

新型生物電池利用內(nèi)生孢子細(xì)菌的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，創(chuàng)新采用模塊化3D打印結(jié)構(gòu)，包括陽極、陰極及密封蓋等部件，可像樂高積木一樣高效組裝與堆疊。單體電池可輸出近1毫瓦功率，足以驅(qū)動(dòng)3.2英寸液晶顯示器，且經(jīng)多次循環(huán)使用后性能穩(wěn)定。

Choi教授指出：“我們證明了細(xì)菌可重復(fù)利用，電池功率保持優(yōu)異?！闭雇磥?，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)全組件一體化3D打印，并開發(fā)智能電源管理系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化充放電效率，推動(dòng)生物電池在可穿戴設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

這個(gè)項(xiàng)目獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）2024年度資助。