Sony entwickelt Biobatterie, die aus Zucker Strom erzeugt

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Erzielt die weltweit höchste Leistungsabgabe für passive Biobatterien

Sony gab heute die Entwicklung einer Biobatterie1 bekannt, die mithilfe von Enzymen als Katalysator Strom aus Kohlenhydraten (Zucker) erzeugt und dabei die in lebenden Organismen vorkommenden Energieerzeugungsprinzipien anwendet.

Testzellen dieser Biobatterie haben eine Leistung von 50 mW erreicht, was derzeit die weltweit höchste Leistung2 für Biobatterien vom passiven Typ3 darstellt. Die Leistung dieser Testzellen reicht aus, um die Musikwiedergabe auf einem Walkman mit Speicher zu ermöglichen.

4 Prototypen von Biobatterieeinheiten (links), die zur Wiedergabe an den Walkman angeschlossen sind

Um die weltweit höchste Leistungsabgabe zu erzielen, hat Sony ein System zum Abbau von Zucker zur Stromerzeugung entwickelt, bei dem Enzyme und der Mediator (elektronische Leitungsmaterialien) effizient immobilisiert und gleichzeitig die Aktivität der Enzyme an der Anode aufrechterhalten wird. Sony hat außerdem eine neue Kathodenstruktur entwickelt, die die Elektrode effizient mit Sauerstoff versorgt und gleichzeitig dafür sorgt, dass der entsprechende Wassergehalt aufrechterhalten wird. Durch die Optimierung des Elektrolyten für diese beiden Technologien konnten diese Leistungsniveaus erreicht werden.

Zucker ist eine natürlich vorkommende Energiequelle, die Pflanzen durch Photosynthese produzieren. Es ist daher regenerativ und in den meisten Gebieten der Erde zu finden, was das Potenzial von zuckerbasierten Biobatterien als umweltfreundliches Energiegerät der Zukunft unterstreicht.

Sony wird die Entwicklung von Immobilisierungssystemen, Elektrodenzusammensetzungen und anderen Technologien fortsetzen, um die Leistungsabgabe und Haltbarkeit weiter zu verbessern, mit dem Ziel, in Zukunft praktische Anwendungen für diese Biobatterien zu realisieren.

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse wurden als wissenschaftliche Arbeit auf der 234. American Chemical Society National Meeting & Exposition in Boston, MA, USA, angenommen und am 22. August 2007 um 11 Uhr Ortszeit bekannt gegeben.

Der Mechanismus der Biobatterie

Die neu entwickelte Biobatterie enthält eine Anode, die aus zuckerverdauenden Enzymen und einem Mediator besteht, und eine Kathode, die aus sauerstoffreduzierenden Enzymen und einem Mediator besteht, auf beiden Seiten eines Zellophan-Separators. Die Anode entzieht dem Zucker (Glukose) durch enzymatische Oxidation wie folgt Elektronen und Wasserstoffionen: Glukose -> Gluconolacton + 2 H+ + 2 e– Das Wasserstoffion wandert durch den Separator zur Kathode. An der Kathode angekommen absorbieren die Wasserstoffionen und Elektronen Sauerstoff aus der Luft und erzeugen Wasser: (1/2) O2 + 2 H+ + 2 e– -> H2O Durch diesen Prozess der elektrochemischen Reaktion gelangen die Elektronen durch den äußeren Kreislauf nach Elektrizität generieren.

Wichtige Errungenschaften dieser Forschung und Entwicklung von Biobatterien

1) Technologie zur Verbesserung der Immobilisierung von Enzymen und Mediatoren auf der Elektrode

Damit eine wirksame Glucoseverdauung stattfinden kann, muss die Anode eine hohe Konzentration an Enzymen und Mediatoren enthalten, wobei deren Aktivität erhalten bleibt. Diese Technologie verwendet zwei Polymere, um diese Komponenten an der Anode zu befestigen. Jedes Polymer ist entgegengesetzt geladen, so dass die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den beiden Polymeren die Enzyme und den Mediator effektiv schützt. Das Ionengleichgewicht und der Immobilisierungsprozess wurden für eine effiziente Elektronenextraktion aus der Glucose optimiert.

2) Kathodenstruktur für effiziente Sauerstoffabsorption

Der Wassergehalt in der Kathode ist entscheidend, um optimale Bedingungen für die effiziente enzymatische Reduktion von Sauerstoff zu gewährleisten. Die Biobatterie verwendet poröse Kohlenstoffelektroden, die das immobilisierte Enzym und den Mediator tragen und mithilfe eines Zellophan-Separators getrennt sind. Die Optimierung dieser Elektrodenstruktur und des Prozesses stellt sicher, dass die richtigen Wasserstände aufrechterhalten werden, wodurch die Reaktivität der Kathode verbessert wird.

3) Optimierung der Elektrolyte zur Anpassung an die Zellstruktur der Biobatterie

In der enzymologischen Forschung wird im Allgemeinen ein Phosphatpuffer von etwa 0,1 M verwendet, in dieser Biobatterie wird jedoch ein Puffer mit ungewöhnlich hoher Konzentration von 1,0 M verwendet. Dies basiert auf der Entdeckung, dass solch hohe Konzentrationen wirksam sind, um die Aktivität der auf den Elektroden immobilisierten Enzyme aufrechtzuerhalten.

4) Testzelle mit hoher Ausgangsleistung und kompakter Größe

Die Testzellen dieser leistungsstarken, kompakten Biobatterien wurden mit diesen drei Technologien hergestellt. Die Biobatterie erfordert kein Mischen oder Konvektion von Glukoselösung oder Luft; Da es sich um eine passive Batterie handelt, funktioniert sie einfach durch Zufuhr von Zuckerlösung in die Batterieeinheit. Die kubische Zelle (39 mm entlang jeder Kante) erzeugt 50 mW und stellt damit die weltweit höchste Leistungsabgabe unter passiven Biobatterien mit vergleichbarem Volumen dar. Durch die Verbindung von vier kubischen Zellen ist es möglich, einen Walkman mit Speicher (NW-E407) zusammen mit einem Paar passiver Lautsprecher (keine externe Stromquelle) mit Strom zu versorgen. Das Gehäuse der Biobatterie besteht aus Kunststoff auf pflanzlicher Basis (Polylactat) und ist nach dem Vorbild einer biologischen Zelle gestaltet.

Sehen Sie sich die Videodemonstration an

Technische Spezifikationen der Biobatterie

Spezifikationen der Biobatterie-Testzelle

Referenz

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