超薄燃料電池 藉人體葡萄糖發電 用於植入式醫療儀器 減換電手術風險

葡萄糖是人類從食物吸收的糖份，是為身體每個細胞提供動力的燃料。但有否想過人體中的葡萄糖也能為心臟起搏器提供動力？有研究團隊設計了一種新型葡萄糖燃料電池，可將葡萄糖直接轉化為電能，而且該裝置厚度僅400納米，即只有人類頭髮直徑的百分之一。

1960年代已有科學家提出葡萄糖燃料電池的可能，並揭示將葡萄糖的化學能轉化為電能的潛力。不過當時的葡萄糖燃料電池是以軟性聚合物（Polymer）為基礎，容易被高溫溶解，結果很快被鋰碘（Lithium-iodide）電池取代，成為現今植入式醫療儀器的標準電源，最常見的例子就是心臟起搏器。

共3層 厚度僅頭髮直徑百分一

鋰碘電池的設計是用來儲存能量，但由於體積有限，當心臟起搏器等裝置的能源快耗盡時，就需再進行手術換電，除了帶來不便，也令病人需冒重複手術的風險。

麻省理工學院（MIT）的研究團隊再次審視葡萄糖燃料電池的設計，團隊成員工程系研究生Philipp Simons指，直接由身體中豐富的葡萄糖提供燃料，不但可省卻安裝植入式醫療儀器時，要考慮電池體積的問題，更能大幅減少更換電池而重複手術的情況。

葡萄糖燃料電池設計由3層組成︰頂部的陽極、中間的電解質、底部的陰極。陽極和陰極是由鉑金製成，因為它是一種穩定的材料，而且很容易與葡萄糖產生化學反應。

採用耐熱陶瓷 作電解質層

運作原理是當陽極與體液中的葡萄糖產生反應後，就會將葡萄糖轉化為葡萄糖酸，並會釋放出一對質子和一對電子。中間的電解質則會分離質子和電子，並將質子傳導到燃料電池中，然後與空氣結合形成水份子，並隨體液流走。同時被隔離的電子則會流向一個外部電路，為植入式醫療儀器供電。

此外，一般的電池大多會採用聚合物來製成電解質層，但基於聚合物的特性及其傳導質子的能力，在高溫下很容易被降解，加上當縮小到納米尺寸時，也是很難進行消毒。

為解決這問題，Philipp想到使用陶瓷來取代聚合物。因陶瓷不但是可自然傳導質子的耐熱材料，而且很堅固，具有長期穩定性、小規模可擴展性和與矽芯片集成的優勢。

團隊以一種名為鈰的陶瓷材料，作為葡萄糖燃料電池的電解質層。鈰在癌症研究界被廣泛研究，且也會用於牙齒植入的氧化鋯，具有生物相容性和安全性。團隊將電解質層與陽極及陰極結合，製成一個厚度僅約400納米、300微米寬的葡萄糖燃料電池。然後將150個獨立的葡萄糖燃料電池安裝在一塊矽芯片上，並讓葡萄糖溶液流過，以測量每個電池產生的電流。結果顯示，每個電池平均能產生約80毫伏特的峰值電壓，足以為心臟起搏器一類植入式醫療儀器供電。

新型電解質 防電動車鋰電池起火

電動車安全問題一直備受關注，鋰電池爆炸更時有發生。為防止電動車電池着火，史丹福大學有研究團隊研發了一種新型電解質，即使在攝氏60度或更高的溫度下也不會起火。

研究團隊指出，新型電解質加入了大量的鋰鹽（LiFSI），因為鋰鹽是易燃溶劑分子的「錨」（Anchor），能防止它們燃燒，讓鋰電池在攝氏100度的高溫下仍能繼續運作。

相比起其他非易燃電解質，這款新型電解質是具有黏性，能適用於現時的鋰電池零件，而且製作成本亦比現時的定製鋰電池更低。

此外，現時的電動車電池間隔設計，都會將電池空間盡可能隔開，以防止它們互相加熱；但在新型電解質的介入下，電動車製造商將可在設計上降低間隔空間，變相能加入更多電池，這亦有助提升電動車續航力。

記者：陳卓賢

美術：顏玉玲