可產生1毫瓦的電力，美國團隊3D打印出由細菌驅動的生物電池

2025年8月4日，南極熊獲悉，美國賓厄姆頓大學的Seokheun “Sean” Choi 教授帶領的一支多學科研究團隊，正通過激光粉末床熔融（LPBF）3D 打印技術，探索細菌供電生物電池的新方法。團隊與機械工程系的激光粉末床熔融專家 Dehao Liu 助理教授合作，利用這種金屬增材制造方法，生產出具有精細調節(jié)的孔隙率和表面粗糙度的不銹鋼微結構。

Dehao教授解釋道：“激光粉末床熔融技術非常適合生物電池，因為它能夠制造出高精度、可定制且具有復雜幾何形狀的 3D 結構，這對于最大化表面積和能量密度至關重要?！?這種設計改善了細菌的定植情況，同時也促進了營養(yǎng)物質的輸送和廢物的清除 —— 這些都是過去碳基和聚合物基陽極材料面臨的主要難題。

項目得到了美國國家科學基金會 2024 年的一筆資助。


△賓厄姆頓大學的研究人員研發(fā)出一種由細菌驅動的生物電池，可產生 1 毫瓦的電力

系統(tǒng)內部：細菌如何發(fā)電

這種生物電池通過細菌內生孢子驅動的電化學反應產生電流。內生孢子是微生物的休眠形式，能夠在惡劣環(huán)境中存活，并在適宜條件下恢復活性。系統(tǒng)由三個主要部分組成：陰極（正極）、陽極（負極）以及促進電力產生的離子交換膜。為了達到最佳性能，陽極必須是三維的，以便細菌能夠密集定植，同時又能保證營養(yǎng)物質的獲取和廢物的清除。

Choi 教授表示：“扁平的二維陽極效率很低，它會限制向細菌輸送營養(yǎng)物質，也會阻礙廢物的清除。”

為了解決這個問題，研究人員利用激光粉末床熔融技術制造出具有精確微觀結構控制的 3D 不銹鋼陽極，為細菌活動和能量產生創(chuàng)造了更適宜的環(huán)境。傳統(tǒng)的陽極材料，如碳或聚合物，通常導電性較低，且在加工過程中容易受到熱損傷 —— 而使用金屬基結構則避免了這些問題。

Choi 教授說：“兩年前，我們開始使用不銹鋼網作為陽極，因為它的導電性非常好，結構也非常堅固。我們成功地將這種微生物燃料電池整合到此類電子設備中。但市售不銹鋼網存在一個問題，我們無法控制其孔隙率和粗糙度。我們只能買來就用，然后把細菌細胞放進去。”


△通過將生物電池串聯(lián)或并聯(lián)，研究人員獲得了 1 毫瓦的電力

Choi 教授指出了激光粉末床熔融技術的潛力，通過激光選擇性地熔化和凝固金屬粉末薄層來構建 3D 金屬部件。通過將多個生物電池串聯(lián)或并聯(lián)，團隊產生了接近 1 毫瓦的電力 —— 足以驅動一個 3.2 英寸的薄膜晶體管液晶顯示屏，這是 Choi 教授以往的生物電池設計中功率最大的輸出之一。此外，這種不銹鋼結構使得細菌細胞能夠重復使用，且性能不會顯著下降。

展望未來，團隊打算通過開發(fā)一種集成 3D 打印方法，同時制造所有生物電池組件，來簡化制造流程。他們還計劃實施電源管理策略 —— 類似于太陽能系統(tǒng)中使用的策略，通過更好地控制充放電循環(huán)來提高能源效率。