编审：Thor，Dysonian
01
导读
据统计，到2050年，全球人口将达到90亿，人们对粮食需求会越发增长。为了满足这一需求，需要不断提高作物产量。近年来，应用无线传感器网络(WSN)可以帮助种植者因地制宜地开展精准农业(PA)来提高产量。PA的无线传感器网络是基于部署在农田上的单个节点的集合来实现，但当前的PA的节点大多由化学电池供电，不是生态友好型的，特别化学电源是潜在污染的主要来源。因此亟需新的可持续电源，以便在PA中部署更大规模的WSN。在PA的背景下，基于自然特性的能够被微生物生物降解新电池体系结构显得尤为诱人。
02
成果背景
PA中新数字技术的部署不应以额外无法控制的电子废物负担为代价，因此，新的可持续电源的开发具有非常重要的现实意义。巴塞罗那自治大学国家电子中心的电子工程师 Juan Pablo Esquivel开发了基于自然特性的能够被微生物生物降解的新电池体系使得在PA中更大规模地部署WSN成为可能。该新电池体系是基于植物流体传输来发电，电池采用环保设计，以满足精准农业（PA）应用的生命周期。自然发生的蒸腾效应能够显著延长电池的使用寿命，并且使用后的电池可以进行生物降解且对环境无害。文章以题为“A plant-like battery: biodegradable power source ecode signed for precision agriculture”发表在Energy & Environmental Science上。该原型的实用性已通过为无线植物护理商业设备供电而得到证明。
03
关键创新
1. 深受大自然启发的液流电池，它模仿植物中的流体运输来发电。经过生态设计，该电池可满足精准农业 (PA) 应用的生命周期。
2. 该原型的实用性已通过为无线植物护理商业设备供电而得到证明。电池在其使用寿命结束时通过生物降解对环境无害。
3. 将可持续性作为主要驱动力产生了一种颠覆性的电池概念，解决了地球环境面临的社会需求。
04
核心数据解读
1. FlowER电池的设计
图1. FlowER 电池概念从植物液体运输中的灵感演变的原型。@ The Authors
1. 蒸发驱动液流电池的设计受植物液体运输启发，其中两个入口通道作为根部，设备从中滋养已经溶解的氧化还原物质，就像植物从周围环境中吸收水分和养分一样。
2. 层压纸芯类似于植物蒸汽，两个多孔碳电极，由充当盐桥的 U 形纸连接。纸芯的末端的两个出口通道，可将流体输送到设备的顶部。暴露在大气中的圆形叶状吸收垫通过蒸腾作用通过芯部不断吸水。
3. 这种新型电池的整体结构深受大自然的启发：“根、茎和花瓣/叶”都是由低成本的纸基材料制成的。
2. 蒸发垫面积对蒸发流量的影响
图2. 暴露在空气中的蒸发面积受相关的蒸发流速控制 @ The Authors
要点：
1. 流量（Q）是决定FlowER电池性能的关键参数之一。在该装置中，蒸发驱动力控制流速。蒸发垫面积（Apad）决定了蒸发流量。
2. 吸收垫处在连续8小时内产生准平稳流。在给定时间蒸发的液体体积随着APad的增加而成比例增加。
3. 使用蒸发作为驱动力，产生的流速与毛细管作用产生的流速在相同的数量级内。
3. 环境条件和蒸发流建模的影响
图3. 理论与实验蒸发流率以及两者之间的相应比率 @ The Authors
要点：
1. 电池提供的功率取决于流速。可采用一种简单的蒸发流量建模方法来了解环境条件对蒸发流速的影响。
2. 蒸发流量的理论建模消除了摄影分析的需要，加深了对环境条件影响的理解，为预测不同气候和环境下的器件性能提供了方向。
4. 电池运行和优化
图4. a、 蒸发驱动流电池的放电极化曲线，每小时记录一次；b、连续测量四种不同放电电流下的放电曲线 @ The Authors
要点：
1. 对电池性能进行性表征，电池在0 h时产生的最大功率密度为1.42 mW·cm-2；随时间线性下降，8h后达到 0.69 mW·cm-2，表明，蒸发驱动力能够保持两种反应物流的共层性，将纸基电池的运行时间延长。
2. 放电电流升高，电压会降低，而效率会提高，因此工作条件限制高于500µA或2 mA cm-2电流密度。
5. 设备核心的耐久性
图 5：蒸发驱动液流电池在 100 µA 下工作 4 天的连续放电曲线 @ The Authors
要点：
1. 电池在四天内显示出大约200 µW·cm2的连续功率输出。当改变种类和蒸发垫时出现过渡状态，其中由新的蒸发垫补充引起的毛细流动扰乱了电池性能。
2. 通过极化曲线可以观察到在前三天电池性能有所提高。在连续运行的第四天，电池性能下降到 0 V。更换溶液或蒸发垫后没有看到进一步的改善，这意味着设备的已达到其工作寿命。
6.氧化还原物种稳定性
图 6：电池反应物随时间降解。 a 不同溶液体积的时间存储效果 b． 具有或不具有向日葵油顶部保护层的体积的时间储存效果图 @ The Authors
要点：
1. 氧暴露与H2BQS自发降解之间存在直接依赖关系。
2. 不同体积的试剂会导致不同的浓度变化，从而导致最大电流峰值。对于阴极物种p-BQ，电流密度峰值的衰减与存储体积无关。
3. H2BQS电流峰值在有保护油层时随时间衰减较小。
7. 优化原型连续运行
图 7. 蒸发驱动液流电池以 100 µA 放电4 天，提供连续功率密度 @ The Authors
要点：
1. 优化的FlowER电池原型在100 µA的连续放电电流下进行测试，在3天半的时间内，电池的功率密度在0.25至0.2 mW·cm-1之间，平均ηF为13.3%，ηE为7.7%。
2. 采用了模块化设计，FlowER电池可以很容易地改装，以更换蒸发垫或电极，或方便地重新填充活性溶液，将延长其使用寿命。
8. 用于精准园艺驱动无线智能监控单元
图 8. 蒸发驱动液流电池的概念验证，展示了为园艺护理设备的启动、被动模式和蓝牙连接供电的功能 @ The Authors
要点：
1. FlowER电池可以成功地为电容器充电并保持与智能手机的无线数据传输。能够产生足够的电力来驱动适用于 PA 应用的电子元件。
2. VBC开始为超级电容器充电时，需要克服冷启动阶段才能正常为电容器充电。在第一个较慢的充电速率阶段（见②-③），电流需求较高。在第二阶段的过程中，VBC 的内部电路可以利用非线性开关的技术来优化存储元件上的电压。电流需求下降，电池电压重新升高到0.5 V。在充电过程结束时，电流消耗下降到纳微安范围，FlowER电池电压迅速恢复到0.7 V（见④）。超级电容器充满电后，传感器开启。此时，电容电压突然从3.1 V 下降到2.3 V（见⑤）。
9. 好氧生物降解性和植物毒性试验
图 9.FlowER 电池的有氧生物降解性评估，（N=3） @ The Authors
要点：
1. 较高的初始动态呼吸指数（DRI值）表明微生物的快速生长源于有氧生物降解碳的存在。其中在反应产物的蒸发垫存在的情况下更为明显。
2. 对于无反应物和有反应物的蒸发垫，仅18天内达到的生物降解水平分别为66±16%和90±6%，说明材料是可生物降解的。
表1. 花卉电池蒸发垫生物降解评估产生的堆肥的发芽试验 @ The Authors
要点：
1. 电池运行期间，纤维素结构的改变和反应产物的存在加快了蒸发垫的降解，生成更稳定、无害的最终材料。
2. FlowER电池的有氧生物降解能力获得了营养丰富的无毒堆肥，确保了生物降解产物的无害性。
05
成果启示
1. FlowER 电池的构思和生态设计受植物启发，遵循农业程序的生命周期，它模仿植物的流体传输机制，通过纸基流体结构转移反应物。
2. 对影响蒸发流速和电池性能的参数进行了研究，发现运行时间受限于特定选择的醌氧化还原对降解，因此可以通过使用稳定的氧化还原物质对其进行调节。
3. 原型的实用性可通过无线工厂监控系统供电进行测试；耗尽的FlowER电池可以作为农业废物安全处理或堆肥，类似于植物在其生命周期结束时回归自然的方式。
06
参考文献
Marina Navarro-Segarra, Carles Tortosa, Carlos Ruiz-Díez, Denis Desmaële, Teresa Gea, Raquel Barrena, Neus Sabaté, Juan Pablo Esquivel. A plant-like battery: biodegradable power source ecodesigned for precision agriculture. Energ Environ. Sci. (2022).
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2022/ee/d2ee00597b
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