Краби можуть допомогти створити акумулятори нового покоління

Акумуляторні батареї є одним з найважливіших аспектів розвитку технологій майбутнього. Увесь технологічний прогрес буквально залежить від покращення ресурсу, потужності, ємності та інших характеристик акумуляторних батарей. Тепер у процесі розробки нових акумуляторів вчені вирішили звернутися до природи, а саме до структури оболонки крабів.

• Ґрунтова бактерія навчила вчених виробляти електрику з повітря

Деталі

Хітозан – похідний полісахаридний полімер хітину, якого багато в панцирах ракоподібних, а також в екзоскелетах комах і клітинних стінках грибів, давно цікавив науковців. Але тепер вчені виявили, що перероблення відходів оболонок у твердий вуглець може сформувати ключову частину електричного кола для натрієвих акумуляторних батарей – стійкої альтернативи поточній літієвій технології.

Дослідники виявили, що виробництво твердого вуглецю з оболонки може працювати як анод для натрієво-іонних батарей. Нагріваючи оболонки до температури, що перевищує 538 °C, вони перетворювали оболонку на вуглець і додавали його до розчину сульфіду олова (SnS2) або сульфіду заліза (FeS2). Це сформувало життєздатний натрієво-іонний анод або позитивний електрод акумулятора.

Натрій-іонні батареї (SIB) — це нова технологія та стійка альтернатива літій-іонним батареям (LIB). Попри хімічну схожість іонів натрію з літієм, іони натрію більші й вимагають іншого анода, ніж ті, які зазвичай виготовлені з графіту. Саме тут команда Юнь Чена, Юе Чжао, Хунбінь Лю та Тінглі Ма знайшла сумісну альтернативу в крабах.

Вуглець краба створив пористий, волокнистий анод із великою площею поверхні, який покращив провідність і здатність транспортувати іони натрію. І команда виявила, що в її модельній батареї, як композити олова, так і заліза мали пристойну ємність перезарядки принаймні 200 циклів. Хоча це не територія літієвих батарей, це позитивний крок до більш стійкої технології акумуляторів.

Минулого року Всесвітній економічний форум пролив світло на багато питань, пов’язаних із поточною життєздатністю видобутку літію, передбачивши можливий дефіцит цього обмеженого ресурсу вже у 2025 році. Проблема ускладнюється його впливом на навколишнє середовище, а також високою вартістю води, якої вимагає видобуток літію, адже часто цей ресурс залягає у схильних до посухи регіонах. Оскільки його використання в акумуляторних технологіях для електромобілів викликає величезний попит, триває гонка за розробкою нових стійких альтернатив.

Це дослідження було проведено через шість місяців після того, як вчені виявили, що гелевий електроліт, отриманий з хітозану, може допомогти живити цинкові батареї. Він виявився набагато більш стійким і не містить корозійних і легкозаймистих хімікатів, як ті, що в сучасних розчинах електролітів, що транспортують іони для літієвих батарей.

Раніше хітин і хітозан відігравали ключову роль у самовідновлюваній фарбі, біотехнологічних транзисторах, пластикових замінниках, фільтрах проти вірусу грипу та противірусних препаратах. З іншого боку, вчені також наполегливо працюють над пошуком альтернативи проблематичному отриманню лізату амебоцитів Limulus (LAL) із крові підковоподібного краба, який протягом понад 40 років був невіддільною частиною розробки безпечних вакцин та інших ін’єкційних препаратів.

Крабовий вуглець можна створити виключно з побічних продуктів, які, на думку команди, мають мінімальний вплив на популяції тварин, на додаток до ширших екологічних переваг від відмови від літію. Оскільки вартість літієвої сировини зростає, це також є більш економічною альтернативою. Автори дослідження підкреслюють:

Це дослідження забезпечує ефективний спосіб використання недорогої сировини для виробництва натрій-іонних акумуляторів з високою питомою енергією.

Раніше вчені запропонували використовувати деревний гриб як екологічну альтернативу пластику. Розуміння клітинної структури цього гриба допоможе створювати так звані живі матеріали, які будуть міцнішими й екологічнішими наявних зараз.