一顆普通電池丟棄後，可以污染 60 萬升的水。在各類電池中，鋰離子電池因儲能高、重量輕、污染小等特點一騎絕塵，被廣泛應用於手機、電動車、軍事裝備及航空航天等。
但高效、便攜、環保始終是電池應用領域的追求。麻省理工學院的生物分子材料學教授安吉拉·貝爾徹（Angela Belcher）已成功用病毒組裝了電池的正負極，併成功為 LED 燈、手電筒、激光筆等小型設備供電。
與普通的電池相比，病毒電池僅需要病毒、水以及電極材料就可以供電，不僅環保、降低了成本，在一定程度上，這種電池比傳統的電池相比，具有更高的容量、循環壽命和充電率。除此之外，安吉拉也將病毒改造用於轉移性腫瘤檢測，協助外科醫生進行切除。
改進的病毒電池可用於驅動汽車（圖片來源：MIT NEWS）
“病毒電池” 的誕生
用病毒組裝電池這一想法源於鮑魚。讀博期間，安吉拉就注意到了這種擁有堅硬外殼的生物，研究後發現，鮑魚分泌的一種蛋白質能夠迫使碳酸鈣分子定向排列，形成鮑魚堅硬的外殼。既然是蛋白質形成的外殼，那麼它也是一種納米級材料，作為一名材料學家，安吉拉敏鋭的意識到可以改造病毒表達相似的蛋白質，從而為人類製造有用的材料。
在分析了數百萬種病毒之後，安吉拉及其團隊確定了 M13 噬菌體，這種病毒遺傳物質簡單，易於操作，還可以將機械能轉換為電能用於發電。“儘管不是唯一可用於納米工程的病毒，但它的效果非常好”，安吉拉表示。M13 是一種結構細長的病毒，這種結構正好可以用作生物支架。
對 M13 的基因組進行改造後，病毒的表面會生成特定的蛋白質，這種蛋白質能夠吸附電極材料。當對病毒基因組進行不同的工程突變時，生成的蛋白質能夠吸附不同的材料。安吉拉改造的病毒表達的蛋白質能夠吸附氧化鈷和磷酸鐵，分別擔任電池的正極和負極。
傳統的鋰離子電池是一種充電電池，這種電池使用鋰化合物作為電極材料，常用的正極材料包括鋰鐵磷酸鹽、錳酸鋰等，常用的負極材料是石墨，當鋰離子通過電解質從負極流向正極時，電池便會發電。
病毒電池在本質上也是一種鋰離子電池，但其所用的電解質是水，與鋰離子電池相比，病毒電池使用生物材料，更易降解，而且，它們的合成需要相對較少的設備，因此也更加便宜。同時，這種病毒經過改造後，只會感染特定的細菌，且不會對人體致命。
“使用病毒等生物材料的好處是，它們已經以納米形式存在，它們是用於合成電池材料的天然模板”，約翰?霍普金斯大學應用物理實驗室的高級電池研究科學家 Konstantinos Gerasopoulos 表示。納米電極能夠更多、更快地吸收和釋放帶電離子，因而可以將電池做的更小、更輕且容量更大。
納米電池是目前的研發熱點，將電池正極和負極的材料納米化後，能夠降低電池材料的體積、提高電池密度，從而提升電池的容量，如果加入導電性良好的碳纖維，也可以提升電池的充放電性能。
產量和效能是商業化障礙
早在 2009 年，安吉拉就在白宮為前美國總統奧巴馬展示了這種病毒電池，當時，奧巴馬正好計劃撥款 20 億美元用於新型電池的技術的開發。
安吉拉抓住了這一機遇。在 10 多年的發展中，安吉拉改造的病毒已經能夠結合 150 種材料，應用到了太陽能電池、腫瘤檢測燈方面。但不得不注意的是，目前，安吉拉改造的病毒電池僅能為 LED 燈、手電筒、激光筆等小型設備供電。
一般的電池工廠所需的原材料高達數十噸，但是病毒體積太小，以目前的生物分子技術很難實現這種規模的量產。也就是説，病毒電池暫時沒辦法商業化，對此，安吉拉解釋道，“與成熟的鋰離子製造商競爭是毫無意義的，我們並不會與當前的技術競爭，最重要的是，我們想要用生物學技術解決一些迄今為止尚未解決的問題”。
在安吉拉成功拿到病毒電池的同年，美國康奈爾大學的研究者發現了碳納米管太陽能電池，碳納米管是由碳原子無隙結合形成的一種納米級的圓柱狀物體，這種材料的太陽能電池導電性好、比傳統的硅材料便宜，但是轉換效率非常低，僅有 1%。
2011 年，安吉拉及其團隊在此基礎上，用 M13 病毒將碳納米管太陽能電池的轉換效率提升了近 30%。M13 病毒生成的特定蛋白質能夠固定碳納米管，從而保證納米管處於正確的位置；同時，M13 還會產生二氧化鈦，能夠提高電子的傳輸效率；此外，M13 能夠讓碳納米管具有水溶性，使其在室温條件下更方便地加入到太陽能板中，從而降低成產生本。
儘管安吉拉在一定程度上提升了碳納米管太陽能板的轉換效率，但是這種技術效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提並論。鈣鈦礦型太陽能電池的效率已經超過了 21%。
現在，安吉拉和團隊也在研究鋰空氣電池，這種電池用空氣中的氧氣作為負極，用鋰離子作為正極。相比較鋰離子電池，鋰空氣電池擁有更高的密度，這意味着，這種電池能夠儲存更多的電量。安吉拉和團隊用組裝病毒作為負極，其生成的蛋白質會形成納米級的導線，他們還增大了導線的直徑，從而加快了充電和放電速率。
除此之外，用病毒創建高度有序的電極結構，縮短離子通過的距離，也能夠增加電池充放電的效率。伊利諾伊大學材料研究實驗室主任保羅·布勞恩（Paul Braun）認為這是電池儲能的重要原因。
安吉拉的病毒電池雖然借鑑了鈣分子有序排列形成鮑魚殼的原理，但目前病毒組裝的電極結構依舊是無序的，目前，團隊正在研究如何讓病毒組裝成更有序的結構，以此來提高電池的儲能效率。
“病毒汽車” 的夢想
除了病毒電池之外，安吉拉和另外兩位麻省理工學院的教授合作用病毒組裝技術開發了能夠發現腫瘤的納米顆粒。“用 CT 掃描能夠發現小到 1 釐米的腫瘤，但是用這些納米顆粒能夠發現小到半毫米的腫瘤”，安吉拉補充道，“如果早點發現毫米級的腫瘤，並介入治療，可以極大的提高患者的生存率”。
安吉拉對病毒的基因組進行了改造，使其表達的蛋白質不僅能夠與碳納米管結合，還能夠與癌細胞產生的蛋白質結合。當病毒附着在癌細胞後，納米管在紅外光的照射下可以發熒光，熒光的位置即標誌腫瘤的位置，可以協助外科醫生進行手術切除。
目前這種技術僅能夠用於乳腺癌，安吉拉和團隊正在努力將這項技術用於腦癌和胰腺癌中。
駕駛用病毒電池驅動的汽車是安吉拉的夢想。
市場上主流的電動汽車用到的都是鋰離子電池，根據公開消息，2020 年電動汽車的平均續航在 400 公里左右。要延長電動汽車的續航，要麼增加電池的數量，要麼增加電池的容量。
從最初的病毒電池到太陽能電池，再到上述提到的鋰空氣電池，安吉拉一直在對病毒進行工程改造，提高電池的儲能效率，以產生可以用作低碳能源系統一部分的材料。
編輯：王星
責任編輯：顧軍
來源：生輝、DEEPTECH深科技