Более совершенные батареи - из вирусов
Литиево-воздушные батареи справедливо считаются одной из самых перспективных разработок - они обещают радикально поднять количество запасаемой энергии на единицу веса. Это, например, увеличит дальность пробега электромобилей. Но до полной реализации их потенциала еще далеко, остается создать более прочные материалы для электродов и увеличить количество циклов зарядки/разрядки.
Ученые из Массачусетского технологического института сделали такое открытие: если добавить к нанопроводам, служащим электродами батареи, генетически модифицированные вирусы, то некоторые из этих проблем успешно решатся. Главное, чего они добились - это увеличение площади поверхности нанонити, то есть зоны, где во время зарядки/разрядки происходит электрохимическая активность
Исследователи получили массив нанопроводов (около 80 нанометров в поперечнике) с помощью генно-модифицированного вируса M13, настроенного на получение молекул металлов из воды и выстраивание их в четкие формы. Нанонити из оксида марганца ("любимый материал" для катода литиево-воздушной батареи) были, собственно говоря, изготовлены вирусами. И в отличие от наращенных традиционными химическими методами нанопроводов они словно утыканы шипами, что резко увеличивает площадь поверхности.
По словам профессора Энджелы Бельхер (Angela Belcher), этот процесс напоминает то, как моллюск абалон выращивает свою раковину - собирая из морской воды кальций и выстраивая из него прочную цельную структуру.
У биосинтетического процесса есть еще одно преимущество: он не требует высоких температур и вредных химических веществ. Кроме того, вирусы производят не изолированные нити, а трехмерную структуру поперечно связанных нанопроводов, что увеличивает стабильность электрода.
Финальный этап процесса - добавление небольшого количества металла (палладия, например) для увеличения электропроодности нанонитей, чтобы дать им возможность катализировать реакции, происходящие во время зарядки/разрядки батареи. Для "вирусных" катодов расход этих дорогих металлов крайне низок.
В целом представленные нововведения повышают энергетическую плотность (количество запасенной энергии на единицу веса) батареи в 2-3 раза, по сравнению с лучшими современными литиево-ионными батареями - главными соперниками литиево-воздушных.
Но Бельхер подчеркивает, что исследование пока прошло лишь первые стадии, до выхода таких батарей на рынок пройдет еще много времени. Ученые работали лишь с одним элементом батареи (катодом). Наконец, новый материал пока прогнали всего через 50 циклов зарядки/разрядки - практически пригодная батарея должна будет выдерживать тысячи таких циклов.
Любопытно, замечает Бельхер, что после открытия и проверки лучших материалов для таких батарей в лабораторных условиях, промышленное производство их может осуществляться совсем иными методами. Уже не раз в ее лаборатории новые химические материалы изготавливались биологическими методами, а при промышленном выпуске на смену им приходили более технически удобные.
Исследование представлено в журнале Nature Communications.
По материалам MIT News.
Артём Космарский nauka21vek.ru