索尼开发出用糖来产生能量的生物电池
- 使被动型生物电池实现了全球最高的能量输出 -

    东京，2007年8月23日——索尼今天宣布开发出了一种生物电池1，这种电池利用酶作为催化剂，通过活性有机体产生能量的原理，在碳水化合物（糖类）中生成电流。

    这种生物电池的测试电池已经能够实现50mW的能量输出，这是被动型生物电池3的全球最高水平2。这些测试电池的输出能量可以为闪存式Walkman播放器提供足够电量。

连接到Walkman 播放器的4节生物电池原型（左）

    为了实现全球最高的能量输入，索尼开发出了一种利用分解糖来生产能量的系统，该系统使用了有效的固化酶和相关介质（导电材料），同时保持了阳极上酶的活性。索尼还开发出了一种新型阴极结构，可以有效地为电极供应氧，又能够确保适当的水分。正是应用于这两种技术的优化电解液，实现了如此高水平的能量输入。

    糖是植物通过光合作用生成的一种天然能源，因此具有再生性，在地球上的许多地区都能找到，这突显了糖类生物电池作为将来的一种环保发电设备所具有的潜力。

    索尼将继续开发酶固化系统、电极组和其他技术，进一步提高电池的能量输出和耐久性，以使这些生物电池能够在将来应用到实际中去。

    相关研究结果的学术论文已经提交给了于马萨诸塞州波士顿举行的第234届美国化学学会全国年会，并于2007年8月22日宣布了这些研究结果。

 生物电池的原理

新研发的生物电池的阳极由嗜糖酶和介质组成，阴极由释氧酶和介质组成，两极都有一层玻璃纸隔离膜。阳极通过如下的酶氧化反应从糖（葡萄糖）中分解出电子和氢离子：

葡萄糖—>葡萄糖酸+ 2 H⁺ + 2e^-

氢离子通过隔离膜流到阴极，氢离子和电子与空气中的氧结合，生成水：

(1/2) O2 + 2 H⁺ + 2e^- —> H2O

通过这一电化学反应过程，电子经过外围电路，产生了电。

l         这种生物电池研发的主要成果 

1)  增强电极酶固化和介质的技术

为有效地分解葡萄糖，阳极的酶和介质浓度必须很高，并依然具有活性。该技术使用了两种聚合物来将这些组分附着到阳极上。两种聚合物的电荷相反，因此在两种聚合物之间产生的静电感应可以让酶和介质有效地附着到阳极上。为从葡萄糖中有效地分解出电子，离子平衡和固化过程被做了优化。

2)  有效结合氧的阴极结构

阴极内的水分对确保为有效的酶促氧化作用提供最佳条件致关重要。生物电池用多孔碳作为电极，可以吸附固化酶和介质，两个电极通过玻璃纸隔离开来。电极结构和固化过程的优化确保了适当的水分，增强了阴极的反应性。

3) 为满足生物电池的结构要求而进行的电极优化

在有关酶的研究中一般使用约0.1 M的磷酸缓冲液，不过生物电池中使用了浓度非常高的1.0 M缓冲液。这是因为人们已经发现，如此高的浓度可以有效地保持电极固化酶的活性。

4) 测试电池将高能输出和小巧外观集为一身

高能、小巧的生物电池的测试电池，采用三种技术制造而成。生物电池不要求葡萄糖溶液或空气的混合或对流，因为这是一种被动性电池，只通过为电池供应糖溶液来产生能量。方块状（每边39毫米长）的电池可以产生50 mW的能量，这是全球相当体积的被动型生物电池所能输出的最高能量。连接方块状的电池后，它可以为闪存式Walkman (NW-E407)播放器和一对被动型喇叭（无需外部电源）提供足够的能量。生物电池的外包装由植物塑料（聚乳酸）制成，并设计成了生物电池的形状。

l         生物电池的技术规格

酶:          葡萄糖脱氢酶和心肌酶 (阳极)

胆红素氧化酶(阴极)

介质:        维生素 K3 和辅助因子NADH (阳极)

铁氰化钾(阴极)

电极:        多孔碳

集电器：     钛网

隔离膜:      玻璃纸

葡萄糖溶液： 0.4 M葡萄糖加1.0 M磷酸钙缓冲液， PH值7.0

最大输出：   连接1分钟时1.5 mW/cm² (0.3V, 5 mA/cm²)

OCV：        0.8 V

l         生物测试电池的规格：

大小：39 (宽) x 39 (高) x 39 (长)毫米

体积：40 立方厘米 (不包括外包装)

最大输出：50 mW

l         参考资料

¹ 生物电池

利用碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪等能源，通过分解酶来发电的一种装置。自2001年以来，索尼的研究已经得到了日本京都大学农业研究生院应用生命科学分院Kenji Kano教授实验室（前Tokuji Ikeda教授实验室）的支持，该实验室专门从事生物化学研究。这里阐述的研究结果是基于，索尼在该实验室的先进科研活动激发下最初开展的技术开发。

² 50mW: 根据索尼的研究，这是截止2007年8月23日全球最高的能量输出水平。

³ 被动型电池

葡萄糖和氧等反应物质通过自然扩散过程而被吸附到电极上的一种系统。相反，通过外力（搅动、对流）来供应反应物质的系统被称为主动型系统。总之，被动型系统具有适合于小型化的更简单结构，而主动型系统的结构更为复杂，适合于能量输入水平更高的设备。

SONY 成都

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