바이오바터리

Biobattery

바이오 배터리는 유기 화합물에 의해 구동되는 에너지 저장 장치로서, 보통 인간의 혈액 속에 있는 포도당과 같은 포도당이다. 인체 내 효소가 포도당을 분해하면 여러 개의 전자와 양자가 방출된다. 따라서 효소를 사용하여 포도당을 분해함으로써 바이오배터리는 포도당으로부터 에너지를 직접 공급받는다. 그리고 이 배터리는 나중에 사용하기 위해 이 에너지를 저장한다. 이 개념은 식물과 많은 동물들이 신진대사 반응에서 에너지를 사용하는 방법과 거의 동일하다.

비록 이 배터리가 상업적으로 판매되기 전에 아직 테스트되고 있지만, 몇몇 연구팀과 엔지니어들은 이 배터리의 개발을 더욱 진전시키기 위해 노력하고 있다.

작업

다른 배터리와 마찬가지로, 바이오배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되며 각 구성 요소가 다른 구성 요소 위에 층을 이루고 있다. 양극과 음극은 전자가 안팎으로 흐를 수 있는 배터리의 양극과 음극 영역이다. 양극은 배터리 상단에 위치하며 음극은 배터리 하단에 위치한다. 양극은 배터리 외부에서 전류가 흐르도록 하는 반면, 음극은 배터리에서 전류가 흐르도록 한다.

양극과 음극 사이에는 분리기를 포함하는 전해질이 있다. 분리기의 주요 기능은 음극과 양극을 분리하여 전기적 단락을 방지하는 것이다. 이 시스템은 전체적으로 양자(+ 와 전자(- 의 흐름을 허용하며, 궁극적으로 전기를 발생시킨다.[1]

양극에서는 설탕이 산화되어 전자와 양자를 모두 생산한다.

포도당 → 글루코놀락톤 + 2H+ + 2e−

이러한 전자와 양자는 현재 저장된 화학 에너지를 방출하는 데 중요한 역할을 한다. 전자는 음극에 도달하기 위해 양극 표면에서 외부 회로를 통해 이동한다.[citation needed] 반면에 양자는 전해액을 통해 분리기를 통해 배터리의 음극면으로 전달된다.[1]

그리고 나서 음극은 양자와 전자를 결합하여 물을 생산하기 위해 산소 가스를 첨가하여 감소 반작용을 수행한다.

O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O

이점

바이오배터리가 다른 배터리에 비해 갖는 중요한 이점은 순간 재충전을 허용하는 능력이다.[2] 즉, 지속적인 설탕 공급, 즉 포도당 공급을 통해 바이오 배터리는 외부 전원 공급 없이도 지속적으로 충전 상태를 유지할 수 있다. 바이오 배터리는 또한 불연성, 무독성 연료의 원천이다. 이것은 깨끗한 대체 재생 가능 전력원을 제공한다.[2]

단점들

리튬배터리와 같은 기존 배터리에 비해 바이오배터리는 에너지의 대부분을 유지할 가능성이 적다.[3] 이것은 이러한 배터리의 장기 사용과 에너지 저장에 관한 한 문제를 야기한다. 하지만, 연구원들은 배터리를 현재의 배터리와 에너지원을 좀 더 실용적으로 대체하기 위해 계속해서 개발하고 있다.[3]

적용

비록 바이오바테리가 상업적으로 판매될 준비가 되지는 않았지만, 몇몇 연구팀과 엔지니어들은 이러한 배터리의 개발을 더욱 진전시키기 위해 노력하고 있다.[2] 소니는 50mW(밀리와트)의 출력 전력을 제공하는 바이오 배터리를 개발했다. 이 출력은 대략 하나의 MP3 플레이어에 전력을 공급하기에 충분하다.[1] 소니는 앞으로 소량의 에너지가 필요한 완구와 장치를 시작으로 바이오 배터리를 시장에 내놓을 계획이다.[3] 스탠포드나 노스이스트 같은 몇몇 다른 연구 시설들도 바이오 배터리를 대체 에너지원으로써 연구하고 실험하는 과정에 있다. 인간의 혈액에는 포도당이 있기 때문에, 일부 연구 시설들은 또한 생물 배터리의 의학적 이점과 인간의 신체에서 가능한 기능들을 찾고 있다. 아직 추가 테스트는 하지 않았지만, 바이오 배터리의 재료/기기 및 의료 사용을 둘러싼 연구가 계속되고 있다.

박테리아

박테리아를 이용해 전기를 발생시키고 저장하는 것에 관심이 있어왔다. 2013년, 연구원들은 대장균의 신진대사가 포도당을 에너지로 충분히 변환시켜 전기를 생산해 낼 수 있기 때문에 살아있는 생체모방에 좋은 후보라는 것을 발견했다.[4] 서로 다른 유전자의 조합을 통해 유기체의 효율적인 전기 생산을 최적화하는 것이 가능하다. 박테리아 바이오배터리는 단순히 전기를 저장하기보다는 전기를 발생시킬 수 있고 염산, 황산보다 독성이나 부식성 물질을 덜 함유할 수 있다는 점에서 잠재력이 크다.

또 다른 관심 박테리아로는 독성이 있는 망간 이온을 감소시켜 식품으로 만들 수 있는 '전기세균'으로 불리는 새로 발견된 박테리아 쉐와넬라 원니덴시스도 있다.[5] 그 과정에서 전류를 발생시키기도 하는데, 이 전류는 박테리아 나노와이어라고 불리는 박테리아 부속물로 만들어진 작은 전선을 따라 이동된다. 이 박테리아와 상호연결된 철사망은 이전에 과학에 알려진 어떤 것과도 달리 거대한 박테리아 생물과자를 만들어낸다. 전기를 발생시키는 것 외에도 그것은 또한 전하를 저장할 수 있는 능력을 가지고 있다.[6]

과학자들은 박테리아가 미세한 자석 입자로부터 전자를 싣고 전자를 방출할 수 있다는 것을 보여주었다. 연구원들은 보라색 박테리아가 노출되는 빛의 양을 조절함으로써 보라색 박테리아인 로도프서도모나스 팔루스트리스에 대한 새로운 실험을 했다. 이 박테리아는 주변 환경으로부터 전자를 끌어낼 수 있었다. 그 팀은 조명 조건을 바꾸었다. 낮 시간 동안, 광생성 철 산화 박테리아는 그것을 방출하는 자석으로부터 전자를 제거할 수 있었다. 야간 시간 동안, 박테리아는 전자를 충전하는 자석 위에 다시 전자를 놓을 수 있었다.[7] 이 과정에서 연구원들은 이 자석이 독성 금속을 정화하는데 사용될 수 있다는 것을 발견했다. 자석석은 크롬의 독성 형태인 크롬 6을 덜 독성이 있는 크롬(III)으로 줄일 수 있다.[7]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c Kannan, Renugopalakrishnan; Filipek, Audette; Li, Munukutla (2009). "Bio-Batteries and Bio-Fuel Cells: Leveraging on Electronic Charge Transfer Proteins" (PDF). Journal of Nanoscience and Nanotechnology. American Scientific Publishers. 9 (3): 1665–1678. doi:10.1166/jnn.2009.si03. PMID 19435024. Archived from the original (PDF) on 2011-03-04.
  2. ^ a b c "Bio-Battery: Clean, Renewable Power Source". CFD Research Corporation. Archived from the original on 2 November 2012. Retrieved 17 October 2012.
  3. ^ a b c "CELLULOSE-BASED BATTERIES". Confederation of Swedish Enterprise.
  4. ^ "Using bacteria batteries to make electricity".
  5. ^ "Some Microbes Can Eat and Breathe Electricity".
  6. ^ Uría, N; Muñoz Berbel, X; Sánchez, O; Muñoz, FX; Mas, J (2011). "Transient storage of electrical charge in biofilms of Shewanella oneidensis MR-1 growing in a microbial fuel cell". Environ. Sci. Technol. 45 (23): 10250–6. Bibcode:2011EnST...4510250U. doi:10.1021/es2025214. PMID 21981730.
  7. ^ a b "New study shows Bacteria can use magnetic particles to create a 'natural battery'". 27 March 2015. Archived from the original on 28 December 2017. Retrieved 8 January 2017. 보도자료