病毒生物電池包括陰極、陽極和電解液三個部分。麻省理工學院工程師已完成了陽極和電解液的設計。研究人員用一種超薄的聚合物材料作為病毒電池的外殼，在薄膜上建立電池的接頭，其直徑僅有4～8微米。在電池接頭的頂部，研究小組堆積固定電解液的聚合層。接下來，將病毒組裝在在電池接頭上，最終形成電池的陽極。比起微型電池用的碳納米管電極材料來說，病毒電極的儲能效果提高了2倍。一個病毒電池包括若干個電極組成的電極陣列，這樣可以提高電池的輸出電流。
基本介紹
- 中文名：病毒電池
- 外文名：Virus battery
- 正極載體：M13病毒、三氧化二鈷、金
- 負極載體：M13病毒、磷酸鐵離子
研究背景,生產製作方法,特點,套用前景,
研究背景
人們希望各種電器越來越小，甚至有人希望開發一種可以直接貼到耳壁上的小型音樂播放機。要把這些電器造得特別微小，一個重要的前提是讓提供電源的電池變小。美國麻省理工學院的研究人員開始利用只有直徑只有6納米的病毒來製造電池，他們用這種病毒製造的微型電池的尺寸只有幾十微米，只相當於一個細胞的大小。
病毒電池
病毒電池要生產微型電池，就需要納米電極和導線，而用金屬絲來製造這些元件要求高溫高壓的極端環境，成本大，設備要求高。負責這項研究的麻省理工學院的貝爾徹教授決定向自然界學習，希望製造一種仿生材料。她最先想到的是神經纖維，動物的神經纖維末梢就是一種天然的納米導線，它們可以傳遞神經電信號。由於人造神經纖維的生產成本十分高，難度特別大，他們放棄了這一計畫。
後來，研究人員從鮑魚貝殼的形成過程得到了啟示。他們發現鮑魚分泌的一種蛋白質可迫使碳酸鈣分子定向排列，逐漸形成鮑魚堅硬的貝殼。貝爾徹等人提取了製造這種特殊蛋白質的鮑魚基因，把它通過基因技術移植到病毒中。在特殊蛋白質的控制下，這些病毒可以自動地首尾相連，形成一種納米級別的生物導線，可以用來製造電池的電極和導線。這種技術有個專門的科學術語，叫做“自組裝技術”。
更為可喜的是，病毒的這種生物自組裝過程不需要高溫高壓，也不需要特別昂貴的設備，只要培養液合適，它們在常溫下就可以完成組裝。在自然界的環境中，鮑魚要形成一個完整的貝殼需要15年。而在實驗室條件下，這些病毒組裝一個電極只需要兩星期。病毒電池的主要材料是一般電子元件所採用的材料，採用病毒作為電極和導線後，電池一下子就變得很小了，而且這種電池具有透明、柔軟和可摺疊的優點。
生產製作方法
首先將長條狀的M13病毒進行基因編程，使其表面可以生長出作為電極的無定形磷酸鐵。無定形磷酸鐵一般來說並非良好的導體，但它在納米尺度下則成為一種有用的電池材料。這些病毒的末端被設計成與碳納米管連線，從而形成一種可在電池內增進導電性能的網路結構。
病毒電池——製作
病毒電池——製作科學家們利用顯微鏡對數以百萬計的病毒DNA進行掃描後，選定了M13病毒。這種病毒長度為880納米，是一種非常簡單且容易操控的病毒，對人體無害。
研究小組首先利用遺傳工程使M13病毒的外殼吸附上三氧化二鈷和金，隨後將其裝配入薄膜中，從而製成一個正極。
接下來便是解決負極的問題，這是一項更具有挑戰性的工作，因此它需要很高的傳導性。研究小組利用工程學的方法在M13病毒上積聚了磷酸鐵離子，並將其與一個由碳納米管製成的高傳導性網路連線在一起。電子可以迅速地在這一系統中傳遞，進而增加負極的容量。實際上，Belcher研製的電池與商業套用的鋰電池具有相同的性能，同時至少能夠充電和放電100次。研究小組在2009年4月2日的美國《科學》雜誌網路版上報告了這一研究成果。這一基於病毒的技術將成為生產電池的第一種生物學手段。Belcher強調，除了碳納米管之外的所有系統都是在室溫下製成的，並且只將水作為一種溶劑。最後，當這種電池報廢和降解後，它不會留下任何有毒的化學物質。Belcher表示：“這絕對是一種非常清潔的方法。”
病毒生物電池結構
病毒生物電池結構無論是在組裝過程還是在電池的使用過程中，這些連成一線的病毒都是活的。貝爾徹和她的小組用顯微鏡掃描了數以百萬計的病毒DNA，從而為這一工作篩選出最好的候選病毒。他們最終選擇的病毒是長條狀的M13病毒，其直徑僅6納米，長為880納米，它是一種非常簡單而且容易被操縱的病毒。他們正通過無害的微生物細胞來複製M13病毒，然後再把它們組裝到高分子材料上。
特點
病毒電池研製成功 比傳統電池更安全。研究人員發現，這種與碳納米管“綁定”的轉基因病毒可以使磷酸鐵電極的充放電率與最尖端的結晶狀磷酸鋰鐵電極相媲美。這種“病毒電池”可以充放電至少100次而不損失電容，儘管與磷酸鋰鐵電池仍有差距，但後者價格昂貴而且有毒，而“病毒電池”的優點顯而易見：可以在室溫或室溫以下製備，不需要有害的有機溶劑，電池內部的物質也無毒。
病毒電池
病毒電池傳統的鋰離子電池採用的是碳電極。相對於它們提供的能量來說，電極的體積太大了。為了給電極瘦身，研究人員把目光轉向了自我組裝的模範――病毒身上。美國麻省理工學院的一個研究小組，對一種叫做M13的長管狀病毒進行加工，插入含有鈷原子和金原子的蛋白質中。研究人員將一片聚合體電解薄膜放入含有病毒的溶液中，再放入含有金屬原子的溶液中，產生出一個透明的薄片，上面鍍了一層氧化鈷和金的薄膜。結果，這種材料儲存的能量，大約是原來碳材料正電極能量的3倍。接下來，他們的目標是再製造出一個負電極，最終完成一隻自我組裝的電池。
