可产生1毫瓦的电力，美国团队3D打印出由细菌驱动的生物电池

2025年8月4日，南极熊获悉，美国宾厄姆顿大学的Seokheun “Sean” Choi 教授带领的一支多学科研究团队，正通过激光粉末床熔融（LPBF）3D 打印技术，探索细菌供电生物电池的新方法。团队与机械工程系的激光粉末床熔融专家 Dehao Liu 助理教授合作，利用这种金属增材制造方法，生产出具有精细调节的孔隙率和表面粗糙度的不锈钢微结构。

Dehao教授解释道：“激光粉末床熔融技术非常适合生物电池，因为它能够制造出高精度、可定制且具有复杂几何形状的 3D 结构，这对于最大化表面积和能量密度至关重要。” 这种设计改善了细菌的定植情况，同时也促进了营养物质的输送和废物的清除 —— 这些都是过去碳基和聚合物基阳极材料面临的主要难题。

项目得到了美国国家科学基金会 2024 年的一笔资助。


△宾厄姆顿大学的研究人员研发出一种由细菌驱动的生物电池，可产生 1 毫瓦的电力

系统内部：细菌如何发电

这种生物电池通过细菌内生孢子驱动的电化学反应产生电流。内生孢子是微生物的休眠形式，能够在恶劣环境中存活，并在适宜条件下恢复活性。系统由三个主要部分组成：阴极（正极）、阳极（负极）以及促进电力产生的离子交换膜。为了达到最佳性能，阳极必须是三维的，以便细菌能够密集定植，同时又能保证营养物质的获取和废物的清除。

Choi 教授表示：“扁平的二维阳极效率很低，它会限制向细菌输送营养物质，也会阻碍废物的清除。”

为了解决这个问题，研究人员利用激光粉末床熔融技术制造出具有精确微观结构控制的 3D 不锈钢阳极，为细菌活动和能量产生创造了更适宜的环境。传统的阳极材料，如碳或聚合物，通常导电性较低，且在加工过程中容易受到热损伤 —— 而使用金属基结构则避免了这些问题。

Choi 教授说：“两年前，我们开始使用不锈钢网作为阳极，因为它的导电性非常好，结构也非常坚固。我们成功地将这种微生物燃料电池整合到此类电子设备中。但市售不锈钢网存在一个问题，我们无法控制其孔隙率和粗糙度。我们只能买来就用，然后把细菌细胞放进去。”


△通过将生物电池串联或并联，研究人员获得了 1 毫瓦的电力

Choi 教授指出了激光粉末床熔融技术的潜力，通过激光选择性地熔化和凝固金属粉末薄层来构建 3D 金属部件。通过将多个生物电池串联或并联，团队产生了接近 1 毫瓦的电力 —— 足以驱动一个 3.2 英寸的薄膜晶体管液晶显示屏，这是 Choi 教授以往的生物电池设计中功率最大的输出之一。此外，这种不锈钢结构使得细菌细胞能够重复使用，且性能不会显著下降。

展望未来，团队打算通过开发一种集成 3D 打印方法，同时制造所有生物电池组件，来简化制造流程。他们还计划实施电源管理策略 —— 类似于太阳能系统中使用的策略，通过更好地控制充放电循环来提高能源效率。