Исследователи из Массачусетского технологического института (США) нашли способ повысить производительность литий-воздушных батарей: с помощью модифицированных вирусов.

Литий-воздушные батареи (такие батареи для выработки электроэнергии частично используют воздух, а точнее, кислород в качестве катализатора для обмена электронами) в последнее время активно изучаются учеными: из-за увеличенной мощности они считаются перспективными для использования в электромобилях. Однако теоретические выкладки по поводу перспективности данных батарей столкнулись с рядом реальных проблем, включая необходимость разработки более эффективных и более прочных материалов для электродов и повышения количества циклов заряд/разряд.

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что может помочь решить некоторые проблемы добавление генетически модифицированных вирусов для производства нанопроводов шириной с красную кровяную клетку, которые служат в качестве одного из электродов аккумулятора.

Целью работы было увеличение площади поверхности нанопроволоки, то есть, увеличение площади, где происходит электрохимическая активность во время зарядки или разрядки аккумуляторной батареи.

Исследователи разработали массив нанопроводов (каждый около 80 нанометров), используя генетически модифицированный вирус M13, который может захватывать молекулы металлов из воды и связывать их в профильный материал. В этом случае провода из оксида марганца -«любимого материала» для катода литий-воздушных батарей, - на самом деле были сконструированы из вирусов. Но в отличие от проводов, выращенных с помощью традиционных химических методов, эти нанопровода, построенные с помощью вируса, имеют шероховатую, остроконечную поверхность, что значительно увеличивает их площадь.

Ученые объясняют, что процесс биосинтеза похож на то, как моллюск абалон строит свою ракушку - путем сбора кальция из морской воды и конструирования его в твердые, связанные структуры. Увеличение площади поверхности, созданное таким способом, обладает большим преимуществом в скорости зарядки и разрядки литий-воздушных батарей. Однако этот процесс имеет и другие потенциальные преимущества, говорят ученые. В отличие от обычных способов изготовления, которые включают энергоемкие высокие температуры и опасные химические вещества, эту реакцию можно проводить при комнатной температуре с использованием процессов на водной основе. Кроме того, вирусы воссоздают трехмерную структуру проводов, что обеспечивает большую прочность электродов.

Заключительную часть процесса - добавление небольшого количества металла, такого как палладий, что значительно увеличивает электропроводность нанопроводов и дает им возможность ускорять реакции, которые происходят во время процессов зарядки и разрядки. Другие группы исследователей пытались производить подобные батареи с использованием чистых или высококонцентрированных металлов в качестве электродов, что заведомо более дорогой путь.

В целом, эти модификации имеют потенциал для производства батарей, которые могли бы обеспечить в два-три раза больше плотности энергии - количество энергии, которое может храниться, - чем популярные сегодня литий-ионные батареи, говорят разработчики.

При этом ученые подчеркивают, что разработка находится еще на ранней стадии, и требуется гораздо больше исследований для производства пригодных для коммерческого использования литий-воздушных батарей. Данная работа изучила производство лишь одного компонента - катода. Для других компонентов батареи, в том числе электролита, требуют дальнейших исследований по поиску надежных, долговечных материалов.