Исследователи Массачусетского технологического института нашли способ повысить производительность литий-воздушных аккумуляторов с помощью модифицированных вирусов.
В последние годы литий-воздушные батареи стали горячей областью исследований: они обещают резкое увеличение мощности на единицу веса батареи, что может привести, например, к созданию электромобилей с гораздо большим запасом хода. Но воплощение этого обещания в жизнь столкнулось с рядом проблем, в том числе с необходимостью разработки более качественных и прочных материалов для электродов батарей и увеличения числа циклов зарядки-разрядки, которые могут выдержать батареи.
Теперь исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что добавление генетически модифицированных вирусов к производству нанопроводов - проводов толщиной примерно с эритроцит, которые могут служить одним из электродов батареи - может помочь решить некоторые проблемы. эти проблемы.
Новая работа описана в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, в соавторстве с аспиранткой Дахьюн О, профессорами Анджелой Белчер и Ян Шао-Хорн и тремя другими. Ключом к их работе было увеличение площади поверхности провода, тем самым увеличивая площадь, на которой происходит электрохимическая активность во время зарядки или разрядки аккумулятора.
Исследователи создали массив нанопроволок диаметром около 80 нанометров каждая, используя генетически модифицированный вирус под названием M13, который может захватывать молекулы металлов из воды и связывать их в структурные формы. В этом случае провода из оксида марганца - «любимый материал» для катода литий-воздушной батареи, говорит Белчер, - на самом деле были созданы вирусами. Но в отличие от проводов, «выращенных» с помощью обычных химических методов, эти созданные вирусом нанопроволоки имеют шероховатую, колючую поверхность, что значительно увеличивает их площадь поверхности.
Белчер, В. М. Кек, профессор энергетики и член Института интегративных исследований рака им. Коха при Массачусетском технологическом институте, объясняет, что этот процесс биосинтеза «действительно похож на то, как морское ушко выращивает свою раковину» - в этом случае путем сбора кальция из морской воды и отложения его в твердое тело., связанная структура.
Увеличение площади поверхности, производимое этим методом, может дать «большое преимущество», говорит Белчер, в скорости зарядки и разрядки литий-воздушных батарей. Но у этого процесса есть и другие потенциальные преимущества, говорит она: в отличие от обычных методов производства, которые включают энергоемкие высокие температуры и опасные химические вещества, этот процесс можно проводить при комнатной температуре с использованием процесса на водной основе..
Кроме того, вместо изолированных проводов вирусы естественным образом создают трехмерную структуру сшитых проводов, что обеспечивает большую стабильность электрода.
Заключительной частью процесса является добавление небольшого количества металла, такого как палладий, который значительно увеличивает электропроводность нанопроводов и позволяет им катализировать реакции, происходящие во время зарядки и разрядки. Другие группы пытались производить такие батареи, используя в качестве электродов чистые или высококонцентрированные металлы, но этот новый процесс резко снижает потребность в дорогостоящем материале.
В целом, эти модификации имеют потенциал для производства батареи, которая могла бы обеспечить в два-три раза большую плотность энергии - количество энергии, которое может быть сохранено при заданном весе - чем лучшие сегодняшние литий-ионные батареи, близко связанные технологии, которые сегодня являются главными претендентами, говорят исследователи.
Белчер подчеркивает, что это исследование находится на ранней стадии, и требуется еще много работы для создания литий-воздушной батареи, пригодной для коммерческого производства. В этой работе рассматривалось производство только одного компонента - катода; другие важные части, в том числе электролит - ионный проводник, по которому ионы лития проходят от одного из электродов батареи к другому, - требуют дальнейших исследований для поиска надежных и долговечных материалов. Кроме того, несмотря на то, что этот материал был успешно протестирован в течение 50 циклов зарядки и разрядки, для практического использования аккумулятор должен выдерживать тысячи таких циклов.
Хотя в этих экспериментах для молекулярной сборки использовались вирусы, Белчер говорит, что как только будут найдены и протестированы лучшие материалы для таких батарей, фактическое производство может осуществляться по-другому. Это произошло с материалами, разработанными в ее лаборатории в прошлом, говорит она: Химия первоначально была разработана с использованием биологических методов, но затем в реальном производстве были заменены альтернативные средства, которые было легче масштабировать для промышленного производства.
Помимо О, Белчера и Шао-Хорна, работу проводили ученые-исследователи Массачусетского технологического института Джифа Ци и Юн Чжан, а также постдоктор И-Чун Лу. Работа была поддержана Исследовательским бюро армии США и Национальным научным фондом.
Видео: