แบตเตอรี่ชีวภาพ

แบตเตอรี่ชีวภาพสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้วัสดุและกระบวนการทางชีวภาพ/ สารประกอบ อินทรีย์ เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ (BFCs) ผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันที่ขั้วไฟฟ้าสองขั้วโดยใช้สารต่างๆ เช่น กลูโคส แบคทีเรีย และเอนไซม์เอนไซม์ เหล่านี้ มีอยู่เช่นเดียวกับในร่างกายมนุษย์ ซึ่งจะย่อยสลายกลูโคส จากนั้นย่อยสลายเป็นอิเล็กตรอนและโปรตอนซึ่งจะถูกปล่อยออกมา แม้ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้จะไม่เคยวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ แต่ก็ยังอยู่ระหว่างการทดสอบ และทีมวิจัยและวิศวกรหลายทีมกำลังทำงานเพื่อพัฒนาแบตเตอรี่เหล่านี้ต่อไป อุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานที่เกี่ยวข้องที่สามารถช่วยในการสร้างแบตเตอรี่ชีวภาพได้ ตัวอย่างเช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกไม่ใช่แบตเตอรี่เคมีแบบดั้งเดิม แต่เป็นอุปกรณ์ที่แปลงความผันผวนของอุณหภูมิโดยตรงเป็นไฟฟ้า^{[ 1 ]}เครื่องกำเนิดไฟฟ้านาโนไตรโบอิเล็กทริกและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพียโซอิเล็กทริก^{[ 2 ]}เป็นอุปกรณ์ที่แปลงการเคลื่อนไหวเชิงกล ความดัน หรือแรงเสียดทานเป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้เริ่มได้รับการวิจัยโดยนักวิจัยสำหรับอุปกรณ์สวมใส่และเซ็นเซอร์ฝังในร่างกาย

ต้นกำเนิดของแบตเตอรี่ชีวภาพมาจากการทดลองเกี่ยวกับไฟฟ้าชีวภาพ ในยุคแรก เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มสงสัยว่าสิ่งมีชีวิตสามารถผลิตไฟฟ้าได้หรือไม่ ในช่วงปลายศตวรรษที่ 1700 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีLuigi Galvaniสังเกตเห็นว่าขาของกบจะกระตุกเมื่อสัมผัสกับโลหะต่าง ๆ ซึ่งทำให้เขาเชื่อในแนวคิดเรื่องไฟฟ้าจากสัตว์สิ่งนี้เป็นแรงบันดาลใจให้เกิดการพัฒนาแบตเตอรี่กบโดยการนำกล้ามเนื้อกบหลาย ๆ มัดมาต่อกันเป็นอนุกรมเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กแต่สามารถวัดได้ ในปี 1837 Carlo Matteucciได้ปรับปรุงอุปกรณ์นี้ให้มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นโดยการจัดเรียงเนื้อเยื่อกบในลักษณะที่ทำหน้าที่เหมือนโซ่ของเซลล์ไฟฟ้า เคมี ^{[ 3 ]}นักวิจัยยังได้ทดลองกับเนื้อเยื่อสัตว์อื่น ๆ รวมถึงแบตเตอรี่หัววัว โดยใช้หัววัวที่เพิ่งตัดใหม่เพื่อแสดงให้เห็นว่าเนื้อเยื่อทางชีวภาพสามารถนำและผลิตสัญญาณไฟฟ้าได้ แม้ว่าต่อมาจะเข้าใจกันว่าการทดลองเหล่านี้อาศัยปฏิกิริยาเคมีมากกว่าสิ่งมีชีวิตที่ให้พลังงาน แต่ก็ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้มุมมองเกี่ยวกับวิธีการที่ไฟฟ้าสามารถมาจากระบบสิ่งมีชีวิตที่ปฏิบัติตามหลักการทางเคมีไฟฟ้าแบบเดียวกับที่พบในแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ เมื่อความเข้าใจเกี่ยวกับระบบเหล่านี้ดีขึ้น การทดลองก็พัฒนาไปสู่การสาธิตที่ง่ายและมีจริยธรรมมากขึ้น เช่นแบตเตอรี่มะนาว^{[ 4 ]} มันถูกตั้งค่าด้วยขั้วไฟฟ้าโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน โดยปกติจะ เป็นทองแดงที่เสียบเข้าไปในมะนาว และเบสที่เป็นกรดของผลไม้ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ช่วยให้อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจร พลังงานที่ได้มาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสังกะสีและการลดลงของไอออนไฮโดรเจน ไม่ใช่จากมะนาวเองซึ่งผลไม้ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการเกิดปฏิกิริยา วิธีนี้ไม่เพียงแต่ใช้ได้กับมะนาวเท่านั้น แต่ยังใช้ได้กับผลไม้ที่เป็นกรดหลากหลายชนิด เช่น ส้ม เกรปฟรุต ที่มีคุณสมบัติเดียวกันที่สามารถทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เคมีไฟฟ้าแบบง่ายได้

เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ทั่วไป แบตเตอรี่ชีวภาพประกอบด้วยขั้วบวกขั้วลบ ตัวคั่นและอิเล็กโทรไลต์ โดยแต่ละส่วนประกอบวางซ้อนกัน ขั้วบวก และ ขั้วลบเป็นบริเวณ ที่มีประจุบวกและลบในแบตเตอรี่ ซึ่งยอมให้อิเล็กตรอนไหลเข้าและออก ขั้วบวกอยู่ด้านบนของแบตเตอรี่ และขั้วลบอยู่ด้านล่างของแบตเตอรี่ ขั้วบวกยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าจากภายนอกแบตเตอรี่ ในขณะที่ขั้วลบยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลออกจากแบตเตอรี่ เนื่องจากกระแสไฟฟ้ามีทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลของอิเล็กตรอน นั่นหมายความว่าขั้วลบยอมให้อิเล็กตรอนไหลเข้าสู่แบตเตอรี่ และขั้วบวกยอมให้อิเล็กตรอนไหลออกจากแบตเตอรี่

ระหว่างแอโนดและแคโทดจะมีอิเล็กโทรไลต์ซึ่งมีตัวแยกอยู่ หน้าที่หลักของตัวแยกคือการแยกแคโทดและแอโนดออกจากกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรไฟฟ้า ระบบโดยรวมนี้ช่วยให้โปรตอน (H ⁺ ) และอิเล็กตรอน (e ⁻ ) ไหลผ่านได้ ซึ่งในที่สุดก็จะสร้างกระแสไฟฟ้า^{[ 5 ]}

แบตเตอรี่ชีวภาพใช้เคมีหลากหลายชนิด และใช้วิธีการผลิตกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เหล่านี้มักวัดจากแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่ได้ ความเสถียรของประสิทธิภาพ และความยั่งยืน แบตเตอรี่ชีวภาพมีหน้าที่หลายอย่าง ซึ่งจะกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติม แบตเตอรี่ชีวภาพบางชนิดที่กำลังพัฒนาอยู่มีจุดประสงค์เพื่อทดแทนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จึงต้องการแรงดันไฟฟ้าสูง ในขณะที่แบตเตอรี่ชีวภาพแบบแรงดันต่ำมีจุดประสงค์เพื่อตรวจหาโรคในระบบทางเดินอาหาร ประสิทธิภาพและเคมีของแบตเตอรี่ชีวภาพจะมีความเฉพาะเจาะจงขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ แม้ว่าจะมีการศึกษาเกี่ยวกับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ชีวภาพมาบ้างแล้ว แต่เนื่องจากแบตเตอรี่ชีวภาพมีหลายประเภท จึงมีการศึกษาเพียงไม่กี่ชิ้นที่ครอบคลุมเคมีชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเฉพาะ

โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่ชีวภาพมักมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาก แบตเตอรี่บางชนิดใช้งานได้ไม่เกินสองสามชั่วโมง แต่แบตเตอรี่บางชนิดสามารถทำงานได้ด้วยเหงื่อและพลังงานกล ทำให้สามารถใช้งานได้นานหลายปี และอาจนานหลายทศวรรษ^{[ 6 ]}เนื่องจากแบตเตอรี่ชีวภาพผลิตจากสารชีวภาพและ/หรือเก็บเกี่ยวพลังงานจากสารชีวภาพ โดยทั่วไปแล้วจึงมีความยั่งยืนมากกว่าแบตเตอรี่โลหะ ปัจจุบันมีการใช้แบตเตอรี่ชีวภาพในเทคโนโลยีพลังงานต่ำ เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจและปั๊มอินซูลิน แต่โดยทั่วไปแล้วไม่เพียงพอสำหรับเทคโนโลยีที่มีการใช้พลังงานสูง เช่น สมาร์ทโฟน^{[ 7 ]}แม้ว่าแบตเตอรี่ชีวภาพจะได้รับการศึกษามานานกว่าทศวรรษแล้ว และอาจต้องใช้เวลาอีกนานในการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับการใช้งานเช่นสมาร์ทโฟน แต่แบตเตอรี่ชีวภาพก็สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งทำให้เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับชุมชนที่ต้องการพลังงานสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ขนาดเล็ก แต่ไม่มีระบบทำความเย็นอย่างต่อเนื่อง เช่น ประเทศกำลังพัฒนา^{[ 7 ]}

ในแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม พลังงานจะถูกเก็บไว้ในสถานะรีดอกซ์อย่างไรก็ตาม ในแบตเตอรี่ที่รับประทานได้ นักวิจัยกำลังพัฒนาแบตเตอรี่ที่เก็บพลังงานไว้ในพันธะเคมี ที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งอิตาลี นักวิจัยกำลังศึกษาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับประทานได้ ซึ่งเป็นยาเม็ดเล็กๆ ที่กลืนเข้าไปเพื่อเก็บข้อมูลเกี่ยวกับระบบทางเดินอาหาร โดยการใส่ไมโครโปรเซสเซอร์หรือLEDเข้าไป ก็สามารถใส่กล้องขนาดเล็กไว้ข้างในได้ ปัจจุบันแบตเตอรี่เหล่านี้มีศักยภาพจำกัดมาก เนื่องจากมีต้นทุนสูงมาก และอาจมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย ทีมของ Caironi จึงตัดสินใจสร้างสิ่งที่ไม่มีขั้วไฟฟ้าโลหะ ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้คนมีอยู่แล้วที่บ้าน และสามารถชาร์จไฟได้ผ่านการเก็บเกี่ยวพลังงาน นักวิจัยค้นพบว่าไรโบฟลาวิน (วิตามินบี 2) สามารถทำหน้าที่เป็น ขั้วบวกของแบตเตอรี่และเควอร์เซตินเป็นขั้วลบขั้วไฟฟ้าถูกห่อหุ้มด้วยขี้ผึ้ง และตัวคั่นทำจากสาหร่ายโนริที่ใช้ในซูชิ เซลล์ทำงานที่ 0.65 โวลต์ ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าไม่ก่อให้เกิดปัญหาในร่างกาย อุปกรณ์นี้ให้กระแสไฟฟ้า 48 ไมโครแอมป์ นาน 12 นาที หรือลดระดับกระแสไฟฟ้าลงได้นานกว่าหนึ่งชั่วโมง ซึ่งเพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้กับหลอด LED กำลังต่ำ

แบตเตอรี่เหล่านี้กำลังอยู่ระหว่างการศึกษาเพื่อใช้ในงานด้านชีวการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทดสอบค่า pH ของกระเพาะอาหาร และหลังจากการพัฒนาเพิ่มเติมแล้ว จะใช้สำหรับการวินิจฉัยและรักษาโรคระบบทางเดินอาหาร^{[ 7 ] [ 8 ]}ข้อดีของแบตเตอรี่เหล่านี้คือทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ ภายในร่างกายมีความเสี่ยงที่แบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพและปล่อยสารพิษออกมา ซึ่งมีความเสี่ยงเป็นพิเศษที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าประมาณ 1.2 V ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่รับประทานได้ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์อื่นๆ ยังเปิดโอกาสให้มีการใช้งานในการตรวจสอบคุณภาพอาหารและในหุ่นยนต์อ่อนนุ่มที่รับประทานได้อีกด้วย

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่รับประทานได้ไม่ควรวัดจากแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถสร้างได้ เนื่องจากแบตเตอรี่เหล่านี้ถูกออกแบบมาให้สร้างแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าประมาณ 1.2 โวลต์ แม้ว่าแบตเตอรี่ที่รับประทานได้อาจสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ แต่แรงดันไฟฟ้าต่ำเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันความเสียหายของเนื้อเยื่อ และผลข้างเคียงที่ร้ายแรงกว่า เช่น การเสียชีวิตหลังการรับประทาน ความจุของแบตเตอรี่ที่รับประทานได้มีตั้งแต่ 10 ไมโครแอมป์-ชั่วโมง ถึงมากกว่า 20 ไมโครแอมป์-ชั่วโมง แบตเตอรี่ที่รับประทานได้บางชนิดยังสามารถชาร์จใหม่ได้ ซึ่งแสดงว่าสามารถใช้งานได้หลายครั้ง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพนน์สเตทใช้วิธีการผลิตโดยการเรียงไฮโดรเจล หลายชนิดซ้อน กันในรูปแบบที่จำลองกระบวนการไอออนิกที่เราพบเห็นได้ในธรรมชาติจากปลาไหลไฟฟ้าเมื่อสร้างกระแสไฟฟ้า งานวิจัยของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Science และวิธีการนี้สร้างแหล่งพลังงานที่มีความยืดหยุ่นและเสถียรต่อสิ่งแวดล้อม

เพื่อทำการวิจัยเรื่องนี้ มหาวิทยาลัยเพนน์สเตทได้ศึกษาชีววิทยาของปลาไหลไฟฟ้า แต่ความท้าทายคืออุปกรณ์ที่ได้แรงบันดาลใจจากปลาไหลนั้นผลิตพลังงานได้จำกัด ซึ่งไม่เพียงพอต่อการใช้งานของมนุษย์ ด้วยการสร้างแผ่นไฮโดรเจลบางเฉียบ พวกเขาจึงสามารถผลิตพลังงานได้มากขึ้นโดยไม่ต้องใช้โครงสร้างทางกล ด้วยวิธีนี้ พวกเขาสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า 600 โวลต์จากปริมาตรเล็กๆ เพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่ปลอดสารพิษ จึงผลิตจากไฮโดรเจลเท่านั้น ทำให้มีความยืดหยุ่นสูงแม้จะมีกำลังมากก็ตาม

กระบวนการนี้ทำโดยการเคลือบแบบหมุน (spin coating ) โดยการวางวัสดุเป็นชั้นๆ บนพื้นผิวหมุนที่มีความหนา 20 มิลลิเมตร กระบวนการนี้ช่วยให้ได้กำลังสูงในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงและความยืดหยุ่นทางกลไว้ได้ เนื่องจากไฮโดรเจลมีลักษณะคล้ายเจล จึงมักต้องการโครงสร้างรองรับภายนอกเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สูง ความหนืดของเจลมีบทบาทสำคัญในการทำให้ชั้นต่างๆ มีความเหมาะสม เพราะในรุ่นแรกๆ นั้น วัสดุจะหลุดออกจากโต๊ะหมุน ดังนั้นจึงต้องเพิ่มความหนืดและความแข็งแรงทางกลเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถสร้างชั้นได้

โดยใช้เครื่องมือในสถาบันวิจัยวัสดุศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเพนน์สเตท พวกเขาได้ทำการวัดค่าทางเคมีไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานต่างๆ เช่น อัตราการปล่อยประจุความหนาแน่นของพลังงานและศักยภาพการนำไฟฟ้า ด้วยการปรับปรุงความหนืดนี้ ทำให้สามารถวัดความหนาแน่นของพลังงานได้สูงกว่าเดิมที่ 44 กิโลวัตต์/ลูกบาศก์เมตร ความหนาแน่นของพลังงานนี้ทำให้ สามารถจ่ายพลังงาน ให้กับเซ็นเซอร์ทางการแพทย์ที่ฝังในร่างกาย ตัวควบคุม หุ่นยนต์แบบอ่อนนุ่ม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ได้

เพื่อแก้ไขข้อกังวลเกี่ยวกับการแห้งตัวของไฮโดรเจลเมื่อสัมผัสกับอากาศ ทีมวิจัยได้ผสมสารเคมีกลีเซอรอล เข้าไป ซึ่งทำให้ไฮโดรเจลยังคงใช้งานได้ที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียสโดยไม่แข็งตัว และสามารถกักเก็บน้ำได้นานกว่าไฮโดรเจลส่วนใหญ่ ปัจจุบัน ไฮโดรเจลชนิดนี้เป็นไฮโดรเจลเพียงชนิดเดียวที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานโดยสมบูรณ์ภายในสารละลายไฮโดรเจลที่ไม่ต้องการการสนับสนุนจากภายนอก

แบตเตอรี่ปลาไหลไฟฟ้ามีความยืดหยุ่นและเข้ากันได้ทางชีวภาพ ทำให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านการแพทย์ได้^{[ 9 ]}แบตเตอรี่เหล่านี้ยังมีความเสถียรต่อสิ่งแวดล้อม และด้วยการพัฒนาเพิ่มเติม ก็จะสามารถชาร์จใหม่ได้ในสภาพแวดล้อมของมันเอง^{[ 9 ]}ทำให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ทางชีวภาพได้

ปลาไหลไฟฟ้าสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า 600 V ในครั้งเดียว และมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก การศึกษาหลายชิ้นพบว่าเซลล์แบตเตอรี่ที่ทำจากอิเล็กโทรไลต์และไฮโดรเจลของปลาไหลไฟฟ้าสามารถสร้างศักยภาพได้มากกว่า 100 mV และมีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดตั้งแต่ 0.001 kW/m³ ถึง 1500 kW/m³ ^{[ 10 ]} เซลล์เหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง โดยบางการศึกษาได้รายงานแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 100 V ^{[ 11 ] [ 12 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFCs) ทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่ชีวภาพแบบชาร์จซ้ำได้ซึ่งขับเคลื่อนด้วยทรัพยากรหมุนเวียน ฟิล์มชีวภาพจุลินทรีย์ที่สร้างกระแสไฟฟ้าจะออกซิไดซ์สารอินทรีย์และถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นไปยังวงจรภายนอก ตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพจะประกอบตัวเอง ซ่อมแซมตัวเอง และปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่ผันผวนได้เองตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีปัญหาเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของขั้วบวกเนื่องจากความท้าทายในการรับประกันการแพร่กระจายของสารอาหารที่เพียงพอ การกำจัดของเสียอย่างมีประสิทธิภาพ ความแข็งแรงเชิงกล การนำไฟฟ้าสูง ความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตขนาดเล็กมาตรฐาน และความมีชีวิตของจุลินทรีย์อย่างยั่งยืนในระหว่างสภาวะการผลิตและการจัดเก็บที่รุนแรง

MFC มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในการบำบัดน้ำเสียเนื่องจากความสามารถในการแปลงสารอินทรีย์เป็นไฟฟ้าและกำจัดมลพิษ เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ที่ทดสอบแล้วสามารถกำจัดน้ำเสียที่เข้ามาได้ระหว่าง 30% ถึง 95% จากน้ำเสียในครัวเรือนและ/หรือน้ำเสียสังเคราะห์ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของแบตเตอรี่ รวมถึงแอโนด แคโทด และเมมเบรนที่ใช้^{[ 13 ] [ 14 ]} MFC มีศักยภาพที่จะใช้ในพื้นที่ห่างไกลเพื่อผลิตไฟฟ้าโดยใช้จุลินทรีย์เฉพาะของพื้นที่นั้น หรือในหุ่นยนต์เฉพาะสภาพแวดล้อม^{[ 15 ]}

เพื่อหาประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ จำเป็นต้องพิจารณาขั้วบวก ขั้วลบ และเมมเบรน การรวมกันของขั้วบวก ขั้วลบ และเมมเบรนบางชุดให้ความหนาแน่นของพลังงานน้อยกว่า 0.5 mW/m² ในขณะที่บางชุดให้ความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 100 mW/m² ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}คาร์บอนและแพลทินัมเป็นแคโทดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับเซลล์ประเภทนี้ แม้ว่าแพลทินัมจะเป็นวัสดุทั่วไป แต่นักวิจัยกำลังมองหาแคโทดที่มีประสิทธิภาพด้านต้นทุนมากกว่า เนื่องจากมีวัสดุอื่นๆ ที่อาจให้ประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกันแต่มีต้นทุนต่ำกว่า เป้าหมายหลักของแคโทดคือการอำนวยความสะดวกในการเกิดปฏิกิริยาลดออกซิเจนดังนั้นการเลือกแคโทดจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ จุลินทรีย์ที่แตกต่างกันก็มีความหนาแน่นของพลังงานที่แตกต่างกันอย่างมากเช่นกัน โดยจุลินทรีย์บางชนิดมีความหนาแน่นของพลังงานเพียงมากกว่า 1 mW/m² ในขณะที่บางชนิดมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 4000 mW/m² ^{[ 19 ]}

แบตเตอรี่ชีวภาพผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านการสลายตัวทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์ เช่น น้ำตาลและแป้ง นี่เป็นทางเลือกที่ยั่งยืนกว่าแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมที่ใช้โลหะหนักและสารเคมีสังเคราะห์ นอกจากนี้ยังสามารถย่อยสลายได้ จึงไม่เป็นอันตราย ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านความหนาแน่นของพลังงาน ประสิทธิภาพของเอนไซม์ และวิศวกรรมจุลินทรีย์ แบตเตอรี่ชีวภาพอาจเทียบเท่าหรือเหนือกว่าแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมในบางกรณีการใช้งานในอนาคตอันใกล้ โซนี่ใช้กลูโคสเป็นแหล่งเชื้อเพลิงและผลิตพลังงานได้ 50 มิลลิวัตต์มอลโท เดกซ์ทริน ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของแป้ง มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่ากลูโคส ดังนั้นจึงอาจเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่ดีกว่ากลูโคส เนื่องจากมอลโทเดกซ์ทรินสามารถสกัดได้จากแป้ง จึงเป็นทรัพยากรหมุนเวียน

แบตเตอรี่น้ำตาลกำลังถูกพิจารณาสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ฝังในร่างกาย เนื่องจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพและกลูโคสที่มีอยู่มากมายในร่างกายซึ่งสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับแบตเตอรี่ได้ ในบางกรณี กลูโคสในกระแสเลือดจะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างพลังงาน แบตเตอรี่ประเภทนี้ได้รับการสาธิตในกระเพาะของหนูและสามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอที่จะใช้งาน LED หรือเทอร์โมมิเตอร์ดิจิทัล^{[ 8 ]}เทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้ในเครื่องกระตุ้นหัวใจ ไบโอเซนเซอร์ และระบบส่งยาได้ เนื่องจากเชื้อเพลิงถูกดึงมาจากร่างกาย จึงช่วยลดความจำเป็นในการผ่าตัดหรือวิธีการรุกรานเพื่อเปลี่ยนหรือทดแทนแบตเตอรี่ แบตเตอรี่น้ำตาลยังถูกพิจารณาสำหรับการใช้งานด้านพลังงานแบบพกพาและขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าในทางทฤษฎีแล้วสามารถใช้ทดแทนแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ได้^{[ 20 ]}

การศึกษาหนึ่งระบุว่าแบตเตอรี่ชีวภาพจากน้ำตาลมีความหนาแน่นในการเก็บพลังงานสูงถึง 596 Ah kg^-1 ซึ่งเป็นค่าที่สูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลายเท่า^{[ 21 ]}นอกจากนี้ แม้ว่าแบตเตอรี่นี้จะผลิตกระแสไฟฟ้าได้น้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาก แต่ก็สูงกว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ทั่วไปในครัวเรือนมาก แม้ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้จะใช้พลาสติก แต่ก็ถือว่ามีความยั่งยืนเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่วางขายทั่วไป

แบตเตอรี่ชีวภาพอินทรีย์ เช่น แบตเตอรี่มะนาว ใช้ความเป็นกรดในอาหารเป็นอิเล็กโทรไลต์สำหรับแบตเตอรี่ แบตเตอรี่เหล่านี้สามารถใช้อาหารทั้งหมดหรือบางส่วนของอาหาร เช่น เปลือก และใช้ เคมี รีดักชัน-ออกซิเดชันเพื่อสร้างประจุ แตกต่างจาก MFCs ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ชีวภาพแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่สามารถใช้อาหารในเซลล์เชื้อเพลิงได้เช่นกัน แบตเตอรี่ชีวภาพอินทรีย์ใช้อาหารที่เป็นกรดเป็นหนึ่งในอิเล็กโทรด ในขณะที่ใน MFCs จะใช้ในการสร้างไบโอฟิล์มบนอิเล็กโทรดโลหะ^{[ 22 ] [ 23 ]}

การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ชีวภาพจากขยะอินทรีย์ยังมีจำกัด แต่การศึกษาหนึ่งกล่าวถึงการใช้แบตเตอรี่จากเปลือกผลไม้สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น LED นาฬิกาติดผนัง และอุปกรณ์ขนาดเล็กอื่นๆ ในครัวเรือน^{[ 22 ]}

แบตเตอรี่ชีวภาพอินทรีย์ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาก^{[ 22 ]}แบตเตอรี่เหล่านี้สามารถใช้งานได้เพียง 10–20 ชั่วโมงเท่านั้น และแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 1 V และ 0.5 A แต่ผลิตจากขยะอินทรีย์ในครัวเรือน ทำให้มีความยั่งยืนมากกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นอย่างมาก^{[ 22 ] [ 24 ]}

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แบบเพียโซอิเล็กทริกและแบบไตรโบอิเล็กทริกสร้างพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานกล เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริกทำงานจากปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งผลึกในวัสดุมีความไวต่อพลังงานกล และเมื่อได้รับแรงกด จะเกิดการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้า ทำให้เกิดประจุไฟฟ้า มีการศึกษาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริกที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติมากมายในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เช่น เปลือกไข่ เปลือกหัวหอม กระเพาะปลา และใยแมงมุม ส่วนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไตรโบอิเล็กทริกทำงานจากปรากฏการณ์ไตรโบอิเล็กทริกซึ่งเป็นการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าระหว่างวัสดุสองชนิดที่สัมผัสกัน ตัวอย่างที่พบได้ทั่วไปคือการทดลองวิทยาศาสตร์ของเด็กๆ ที่เอาลูกโป่งมาถูผม ทำให้ผมตั้งขึ้น นั่นคือไฟฟ้าสถิต

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริกและแบบไตรโบอิเล็กทริกได้รับการศึกษาเพื่อใช้ในการติดตามสัตว์^{[ 25 ]}เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริกมีข้อดีคือสามารถชาร์จได้ด้วยการเคลื่อนไหวเชิงกล ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาแบตเตอรี่หมดขณะใช้งานกับสัตว์ ทำให้การติดตามหยุดลงโดยไม่คาดคิด แบตเตอรี่ทั้งสองชนิดยังสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมได้ หมายความว่าสามารถทนต่อความชื้นสูงและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมอื่นๆ ได้^{[ 26 ]}ทั้งสองชนิดยังได้รับการพิจารณาสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์สวมใส่ ฝังในร่างกาย และพกพาได้หลากหลายชนิด รวมถึงกระเบื้องหรือทางเท้าที่ผลิตพลังงานได้ด้วย^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 26 ] [ 30 ]}

แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ส่งออกจากแบตเตอรี่ประเภทนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณและแรงของการเคลื่อนไหวที่แบตเตอรี่ได้รับ รวมถึงความถี่ของการเคลื่อนไหวเป็นระยะ วิธีการบางอย่าง เช่น ตัวแปลงตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ที่ใช้การออกแบบแฟรกทัล โหมดการเลื่อน และโหมดตั้งอิสระในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไตรโบอิเล็กทริก สามารถบรรลุประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานได้ตั้งแต่ 80% จนถึงเกือบ 100% ^{[ 31 ] [ 32 ]}เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริกบรรลุประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานได้หลากหลาย ตั้งแต่ 0.3% ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากกระเพาะปัสสาวะปลา ไปจนถึง 60% ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากเปลือกไข่^{[ 26 ] [ 33 ] [ 34 ]}

การเลียนแบบชีวภาพคือการปฏิบัติในการสร้างแบบจำลองเทคโนโลยีและวิธีการแก้ปัญหาจากกระบวนการทางธรรมชาติ ระบบนิเวศ และสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างของการเลียนแบบชีวภาพ ได้แก่เวลโครซึ่งระบบตะขอและตัวล็อคได้รับแรงบันดาลใจจากหนามแหลม รถไฟหัวกระสุนของญี่ปุ่น ซึ่งส่วนหัวของรถไฟได้รับแรงบันดาลใจจากจะงอยปากของนกกระเต็น ( Alcedinidae ) ^{[ 35 ]}และเข็มที่ไม่เจ็บปวด ซึ่งรูปทรงได้รับแรงบันดาลใจจาก งวงของ ยุงแบตเตอรี่ชีวภาพได้รับแรงบันดาลใจจากระบบชีวภาพต่างๆ เพื่อสร้างพลังงาน

ปลาไหลไฟฟ้า ( Electrophorus electricus ) เป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตที่ได้รับการศึกษามากที่สุดที่เป็นแรงบันดาลใจสำหรับแหล่งพลังงานอ่อน ปลาไหลไฟฟ้ามีอวัยวะไฟฟ้าสามส่วนที่ทำงานเพื่อให้ได้ความต่างศักย์ 600 โวลต์และกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์^{[ 11 ]}เซลล์ที่เรียกว่าอิเล็กโทรไซต์หลายพันเซลล์เรียงกันเป็นอนุกรมทั่วร่างกาย และแต่ละเซลล์สร้างความต่างศักย์ไอออนเล็กน้อยข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เลือกผ่านได้ เซลล์ที่เรียงซ้อนกันเหล่านี้รวมกันเพื่อสร้างการปล่อยประจุไฟฟ้าแรงสูงเพื่อช่วยให้ปลาไหลล่าเหยื่อ

ปัจจุบันมีแบบจำลองไฟฟ้าเทียมที่ใช้การไล่ระดับไอออนระหว่างช่องไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ขนาดเล็ก โดยมีขอบเขตเป็นเยื่อไฮโดรเจลที่เลือกไอออนบวกและไอออนลบซ้ำๆ และจัดเรียงในรูปแบบซ้อนกันเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้า 110 โวลต์ที่วงจรเปิด ระบบนี้มีความยืดหยุ่น โปร่งใส และเข้ากันได้ทางชีวภาพ และมีศักยภาพในการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังในร่างกาย แบบจำลองอื่นๆ ใช้การเคลือบแบบหมุนเพื่อสร้างแหล่งพลังงานไฮโดรเจลที่มีความต้านทานภายในลดลง ความหนาที่ลดลงของไฮโดรเจลเหล่านี้ช่วยลดความต้านทานภายในในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพทางกล ทำให้แหล่งพลังงานสามารถผลิตความหนาแน่นของพลังงานได้ประมาณ 44 kW/m³ [ ^{36 ]แบบจำลอง}นี้ทำงานในอากาศโดยรอบได้หลายวันและที่อุณหภูมิต่ำถึง -80 องศาเซลเซียส และยังพบว่าเป็นแหล่งพลังงานไฮโดรเจลแหล่งแรกที่ไม่มีโครงสร้างรองรับภายนอก

การสังเคราะห์แสงเป็นแบบจำลองสำหรับการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมีผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยแสงมาเป็นเวลานาน โดยหลักแล้ว ชีววิทยาของพืชมีอิทธิพลต่อการออกแบบอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ผ่านเคมีพื้นผิวและโครงสร้างรูพรุนแบบลำดับชั้น พืชมีระบบหลอดเลือดที่แตกแขนงเพื่อขนส่งไอออนและเมตาบอไลต์ ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบวัสดุอิเล็กโทรดว่าความพรุนส่งผลต่อการแทรกซึมของอิเล็กโทรไลต์และการแพร่กระจายของไอออนอย่างไร ผ่านการจัดเรียงองค์ประกอบและโครงสร้าง พืชทำการแปลงพลังงานและการควบคุมช่องไอออน ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจในการพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดแบตเตอรี่^{[ 37 ]}การสังเคราะห์แสงโดยใช้คลอโรฟิลล์ยังเป็นแรงบันดาลใจในการวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลที่ดูดซับแสงซึ่งถูกรวมเข้ากับอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรดเพื่อเสริมกระบวนการทางเคมีไฟฟ้า

สิ่งมีชีวิตเก็บและจัดการพลังงานในรูปแบบต่างๆ กัน ในสัตว์ พลังงานจะถูกเก็บไว้ในเนื้อเยื่อไขมันทั่วร่างกาย โดยใช้แผนการนี้ แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศแบบชาร์จได้ถูกรวมเข้ากับพื้นผิวโครงสร้างของหุ่นยนต์^{[ 38 ]}แบตเตอรี่เหล่านี้ทำขึ้นโดยใช้เยื่อนาโนไฟเบอร์อะรามิด อิเล็กโทรไลต์เจลพอลิเมอร์นำไฟฟ้าไฮดรอกไซด์ ขั้วบวกสังกะสี และขั้วลบอากาศ แบตเตอรี่ทำงานเมื่อไอออนไฮดรอกไซด์ผ่านและเก็บสะสมผ่านอิเล็กโทรดสังกะสีและเยื่ออิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากเมทริกซ์นาโนไฟเบอร์อะรามิดในเจลพอลิเมอร์ที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย คาดว่าวิธีการนี้สามารถให้พลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเซลล์เดียวถึง 72 เท่า

แบตเตอรี่ชีวภาพเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปโดยการผลิตกระแสไฟฟ้าจากกระบวนการทางชีวภาพที่หมุนเวียนได้ เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ (BFCs) ใช้สารประกอบ เช่น กลูโคสหรือแลคเตท ทำให้เกิดผลพลอยทางเคมีน้อยที่สุด และลดการพึ่งพาโลหะหนัก^{[ 39 ]}นอกจากนี้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบนาโนไตรโบอิเล็กทริก (TENGs) ยังเก็บเกี่ยว พลังงาน ชีวกลจากการเคลื่อนไหวทางชีวภาพ ซึ่งเป็นวิธีการสร้างของเสียต่ำในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยไม่มีการปล่อยสารเคมี^{[ 40 ]}อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกแปลงการเปลี่ยนแปลงทางกลจากอวัยวะหรือการเคลื่อนไหวให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมได้อีกด้วย^{[ 7 ]}ระบบเหล่านี้มักใช้วัสดุที่ยืดหยุ่นและเข้ากันได้ทางชีวภาพ เช่นโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) โพ ลีอิไมด์ (PI) และโพลีไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) ซึ่งอาจช่วยลดผลกระทบต่อระบบนิเวศได้ นอกจากนี้ แบตเตอรี่ชีวภาพบางประเภทที่ใช้สำหรับระยะสั้นหรือใช้ครั้งเดียว สามารถออกแบบโดยใช้วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเคลือบลงบนกระดาษที่ละลายได้ เพื่อให้สามารถดูดซึมได้ทางชีวภาพ หรือละลายได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ^{[ 39 ]}