Sony sviluppa una batteria biologica che genera elettricità dallo zucchero

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Raggiunge la massima potenza al mondo per le biobatterie di tipo passivo

Sony ha annunciato oggi lo sviluppo di una biobatteria1 che genera elettricità dai carboidrati (zucchero) utilizzando enzimi come catalizzatore, attraverso l'applicazione dei principi di generazione di energia presenti negli organismi viventi.

Le celle di prova di questa biobatteria hanno raggiunto una potenza di 50 mW, attualmente il livello più alto2 al mondo per le biobatterie di tipo passivo3. L'output di queste celle di test è sufficiente per alimentare la riproduzione musicale su un Walkman di tipo memory.

4 prototipi di unità biobatteria (a sinistra) collegate al Walkman per la riproduzione

Per realizzare la più alta produzione di energia al mondo, Sony ha sviluppato un sistema di scomposizione dello zucchero per generare elettricità che prevede l'immobilizzazione efficiente degli enzimi e del mediatore (materiali di conduzione elettronica) mantenendo l'attività degli enzimi sull'anodo. Sony ha inoltre sviluppato una nuova struttura del catodo che fornisce in modo efficiente ossigeno all'elettrodo garantendo al tempo stesso il mantenimento del contenuto di acqua appropriato. L'ottimizzazione dell'elettrolita per queste due tecnologie ha consentito di raggiungere questi livelli di potenza in uscita.

Lo zucchero è una fonte di energia naturale prodotta dalle piante attraverso la fotosintesi. È quindi rigenerativo e può essere trovato nella maggior parte delle aree della terra, sottolineando il potenziale delle biobatterie a base di zucchero come dispositivo energetico ecologico del futuro.

Sony continuerà lo sviluppo di sistemi di immobilizzazione, composizione degli elettrodi e altre tecnologie per migliorare ulteriormente la potenza erogata e la durata, con l'obiettivo di realizzare applicazioni pratiche per queste biobatterie in futuro.

I risultati della ricerca qui presentati sono stati accettati come documento accademico al 234° Meeting & Exposition nazionale dell'American Chemical Society a Boston, MA, USA, e sono stati annunciati alle 11:00 ora locale del 22 agosto 2007.

Il meccanismo della biobatteria

La biobatteria di nuova concezione incorpora un anodo costituito da enzimi e mediatori che digeriscono lo zucchero, e un catodo comprendente enzimi e mediatori che riducono l'ossigeno, su entrambi i lati di un separatore di cellophane. L'anodo estrae elettroni e ioni idrogeno dallo zucchero (glucosio) attraverso l'ossidazione enzimatica come segue: Glucosio -> Gluconolattone + 2 H+ + 2 e– Lo ione idrogeno migra al catodo attraverso il separatore. Una volta al catodo, gli ioni idrogeno e gli elettroni assorbono l'ossigeno dall'aria per produrre acqua: (1/2) O2 + 2 H+ + 2 e– -> H2O Attraverso questo processo di reazione elettrochimica, gli elettroni passano attraverso il circuito esterno per generare elettricità.

Risultati chiave di questa ricerca e sviluppo di biobatterie

1) Tecnologia per migliorare l'immobilizzazione degli enzimi e del mediatore sull'elettrodo

Affinché avvenga un'efficace digestione del glucosio, l'anodo deve contenere un'alta concentrazione di enzimi e mediatori, la cui attività viene mantenuta. Questa tecnologia utilizza due polimeri per collegare questi componenti all'anodo. Ciascun polimero ha carica opposta, quindi l'interazione elettrostatica tra i due polimeri protegge efficacemente gli enzimi e il mediatore. Il bilancio ionico e il processo di immobilizzazione sono stati ottimizzati per un'efficiente estrazione degli elettroni dal glucosio.

2) Struttura catodica per un efficiente assorbimento dell'ossigeno

Il contenuto di acqua all'interno del catodo è vitale per garantire condizioni ottimali per l'efficiente riduzione enzimatica dell'ossigeno. La biobatteria utilizza elettrodi di carbonio porosi contenenti l'enzima immobilizzato e il mediatore, che vengono suddivisi utilizzando un separatore di cellophane. L'ottimizzazione della struttura e del processo di questo elettrodo garantisce il mantenimento dei livelli di acqua adeguati, migliorando la reattività del catodo.

3) Ottimizzazione degli elettroliti per soddisfare la struttura cellulare della biobatteria