未来的电池，可能是病毒做的 | 近未来㉘

新冠病毒，已经成为目前全世界最大的敌人。

它让很多人只能「自囚」于家中，社畜们结束了 996 生活 ，却迎来了 007 的在家办公，还逼得小学生组队给网课软件打一星。

它让我们不得不压抑自己的消费欲望，全球电影业因疫情面临 ，全球航空业的收入则可能减少 。

▲ 图片来自：纽约时报

在这个特殊时期，似乎没有人想和病毒扯上关系，可也有科学家想利用病毒造福人类。

麻省理工学院的一位生物工程教授安吉拉·贝尔彻（Angela Belcher），已经成功研制出，而她的终极梦想，是能够驾驶由 。

制造病毒电池

病毒电池其实不是最近才出现的技术，早在 2009 年，由安吉拉·贝尔彻带领的科研团队就已经利用一种直径只有 6 纳米的病毒，制造出只有细胞大小的微型电池。

这项研究还吸引了时任美国总统奥巴马的兴趣，贝尔彻受邀前往白宫为奥巴马展示了这种病毒电池。当时奥巴马正计划投入 20 亿美元用于支持新电池技术的开发，而贝尔彻的病毒电池则揭示了电池领域一个新的方向。

▲ . 图片来自：wired

到底科学家是怎么用病毒来制造电池的？病毒电池和普通电池又有什么不同？要解答这些问题，首先需要简单了解电池的工作原理。

一般的锂电池的放电和充电，是内部的锂离子通过电解液在正极和负极之间运动实现的，正极使用的材料一般为磷酸盐，无论是硫酸盐还是锂离子，这种材料也广泛存在地球各种生命体中，因此用生物来制作电池在逻辑上是可行的。

不过要制造这种电池，首先就要找到可以充当电极和导线的生物结构。一开始贝尔彻打算用采用人造神经纤维，因为动物的神经纤维末梢就是天然的纳米导线，但这种方式的成本和技术难度都太高，最终只能放弃。

后来贝尔彻在鲍鱼壳身上找到了答案，他们发现鲍鱼可以分泌出一种蛋白质，可从富含矿物质的水中提取碳酸钙分子，并让其在体内定向排列，从而形成鲍鱼壳。于是贝尔彻将编码这种蛋白的基因移植到病毒，让病毒拥有生成纳米结构的能力，用来制作电极和导线。

▲鲍鱼壳. 图片来自：Monad Centre of Balance

在自然情况下，鲍鱼要形成一个完整的贝壳需要 15 年，而经过基因编辑，在实验室内病毒生产一个电极只需要两星期。

研究团队在分析了数百万种病毒后，最后选择了 M13 噬菌体，这是一种形似雪茄的病毒，直径只有 6 纳米，长度 880 纳米。这种病毒除了可以将机械能转化为电能，而且遗传物质简单，易于操控。

与鲍鱼类似，这种病毒会在表面生成一种蛋白质，吸附氧化钴微粒并覆盖在外壳，当数百万个病毒连接起来，就能形成一条氧化钴线，可以作为电极使用。

在这个过程中，这些连成一线的病毒都是活的。众所周知，病毒需要宿主才能存活，研究人员将病毒感染无害的细菌，来大量复制病毒。

通过这种方式制造的电池，不仅能提升电池的能量密度、寿命和充电效率，生产过程也更加环保。相比于微型电池所用的碳纳米管电极材料，病毒组装而成的电极储能效率提升了两倍。

▲普渡大学研发出的锑纳米链负极.

将纳米结构用于电池作为电极材料，近年来被认为是。因为纳米电极能更多、更快地吸收和释放带电离子，因此可以将电池做得更小、更轻、且容量更大。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的高级电池研究科学家 Konstantinos Gerasopoulos ，使用病毒的好处在于，它们本身就以「纳米」的形式存在，本质上就是用于合成电池材料的天然模板。

当然你可能会担心，利用病毒制造电池，万一病毒泄露感染人类，不就危险了吗？

贝尔彻表示，他们使用的病毒均已经过无害化基因改造，只会感染特定的细菌宿主，而且并不致命，只会使被感染细菌的生长速度减慢。此外这种电池报废后可生物降解，不会像过去的锂电池一样对环境造成污染。

▲ 安吉拉·贝尔彻. 图片来自：MIT News

经过 10 年的研究，贝尔彻的病毒电池已经取得了不少新的突破。病毒已经可以和 150 多种材料一起使用，用以制造太阳能电池等产品。

虽然目前这种病毒电池只能给手电筒，激光笔，手表和 LED 灯等小型电子设备供电，但是贝尔彻一直在尝试将这种技术推出市场，她与别人联合创办了两家生物科技公司，Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies，就是利用病毒来合成用于触控屏的纳米线，以及将二氧化碳转化为乙烯。

▲ 贝尔彻的病毒电池原型机. 图片来自：MIT Museum

但要实现贝尔彻理想中的「病毒电池驱动的汽车」，目前还难以做到，病毒电池的商业化存在两个比较大的问题。

一是病毒体积太小，可一般电池工厂所需的原材料高达数十吨，以目前的生物分子技术实现这种规模的量产并不容易，但 Gerasopoulos 也表示「这个障碍未来并非无法克服」。

▲ 特斯拉的超级电池工厂.

二是病毒电池部分性能还比不上传统的电池，贝尔彻曾用病毒制造太阳能电池，但其技术效率无法和钙钛矿型太阳能电池相提并论。

前面提到的鲍鱼，能有序地排列钙分子形成外壳，病毒电池虽然借鉴了这一原理，但目前病毒组装的电极结构依然是随机的，贝尔彻团队正在研究如何让病毒生成更加有序的电极结构。

尽管目前病毒电池还不够成熟，但贝尔彻表示，她的研究是希望用生物技术来解决一些目前尚未解决的问题。

除了病毒电池，贝尔彻还利用病毒组装技术开发出能发现肿瘤的纳米粒子，可以发现那些以为体积太小而无法被医生发现的癌组织，这对早期癌细胞的检测有很大提升。

当这种病毒纳米粒子进入体内，会定向附着在癌细胞上，在红外光照射下会发出荧光，以此来标记癌细胞的位置。在对小鼠的实验中，这项技术成功让接受卵巢癌手术的小鼠寿命延长 40%。

100 多年前，人类就开始用细菌发电

用病毒制造电池这一概念看似新颖，但你可能不知道，早在 100 多年前，人类就开始利用微生物的能量进行发电了。

1911 年，英国植物学家 Michael Cressé Potter 发现大肠杆菌可将有机物中的化学能转化为电能，他铂作为电极，利用大肠杆菌和酵母菌的培养液，制作了世界第一个细菌电池。

不过直到 1976 年，日本科学家Suzuki 才制造出现代意义的微生物燃料电池（MFC）。到了 80 年代，伦敦皇家学院的 Peter Bennetto 以糖液作为养料，让细菌在电池组里分解分子，释放出电子向阳极运动以产生电脑，经计算这种细菌电池的发电效率比如今的太阳能电池还高 40%。

在过去几十年间，人类陆续发现了更多可以发电的细菌。从用于去除地下铀污染物的地杆菌到我们肠道内部的厌氧粪肠球菌，都具有转移电子发出电能的能力。

不久前发表于《自然》杂志的「空气发电机」（air-powered generator）研究，就是利用微生物地杆菌产生的导电蛋白纳米线形成了 7 微米的薄膜作为电极。

当蛋白纳米线与电极相连后，就可以利用薄膜从空气中吸收水分，水分子被分解成氢离子和氧离子，导致电荷在薄膜顶部聚集，利用两个电极形成的电荷差让电子流动，从而产生电能。

研究称这种「空气发电机」可以 7 天 24 小时不间断地发电，而且过程中不需要外部电源。即便在极度干燥的地方，比如撒哈拉沙漠，一样能发电，目前「空气发电机」已经能为小型电子设备供电。

此外用细菌制作的太阳能电池，甚至可以在阴天里正常发电。不列颠哥伦比亚大学的研究团队就用大肠杆菌开发了一种廉价、可持续的太阳能电池，不仅能产生比同类设备更强的电流，发电效率几乎不会受到光照强度的影响。

研究人员对大肠杆菌进行基因改造后，让其可以生成番茄红素，这种色素吸收光线并转化为能量的效率很高，通过与一种矿物质结合覆盖在玻璃表面，就能作为电池阳极。

▲ 细菌太阳能电池示意图.

不过这种技术还在初期阶段，细菌会在发电过程中死亡，还难以达到传统太阳能电池的发电量。研究人员希望将这种细菌电池用于矿井和深海勘探等微光环境。

利用细菌进行发电的好处在于，驱动这些生物燃料电池的养料随处可见，且成本不高。腐烂的水果、工业废水、生活污水，甚至尿液和化粪池的水可以作为养料，既环保又经济。

▲ 图片来自：New Frame

西英格兰大学的生物能源研究小组曾在 2015 年大学校园里建立了两个移动厕所，在小便池放置了 8 个由微生物燃料电池构成的电池模块，利用尿液来驱动这些微生物燃料电池，来为 LED 灯发电。

▲尿液驱动细菌发电的原理图. 图片来自：New Frame

此外这个研究小组还试图通过类似的方式来为手机发电，预计需要 600 ml 尿液（约成年人尿两次），就能为手机充电 6 小时，给手机续航 3 小时。

电池的未来，可以用交给这些微生物吗？

无论是病毒电池，还是发展了 100 多年的生物燃料电池，迄今为止都没有被大规模商用。除了转换效率不够高和难以大规模量产外，成本问题也是一个不可忽视的问题。虽然细菌本身和所需的养料所需的成本都很低，但生产过程中使用的生物催化剂却十分昂贵。

但科学家正在解决这些问题，生物燃料电池依然存在替代传统电池的可能性。尤其是小型的可穿戴设备和心脏起搏器植入式电子设备，通过这种技术提供电源十分实用，也更加接近于商用。

正如爱范儿此前一篇文章所说的，电池限制了我们对智能产品的想象力。

传统锂电池的能量密度有限，过去 20 年都没有取得太大的突破，这限制了电动车的发展，更让全电动大型客机成为天方夜谭，像波音 737 这种大型飞机，所需的电池重量甚至要比机身更重，这显然无法商业化。

▲ 电动车内电池组的单节电池

同时生产锂电池所需的稀有金属，本身产量就有限，随着人类对电池的需求增加，成本也不断提高。虽然人类已经尝试潜入深海采矿，但也带来了不少关于环保问题的争议，商业化的前景并不明朗。

▲ 深海采矿的专用挖矿机。图片来自：savethehighseas

如果病毒电池和细菌电池能实现低成本的大规模量产，到那时我们就真的就拥有取之不尽的电池原材料了，电池领域也将进入一个全新的阶段。

科幻电影《黑客帝国》曾描绘过一个完全靠生物电池提供的世界，只不过电影里是人类被当做电池，来为机器人提供电力。