Американские материаловеды изготовили перерабатываемые органические аккумуляторы с электродами на основе полипептида. Отработанный аккумулятор можно полностью гидролизовать за 24 часа, а полученную аминокислоту использовать для получения новых аккумуляторов. Пока что стабильность новых аккумуляторов недостаточна для коммерческого использования, но у авторов есть идеи, как можно будет улучшить ее в дальнейшем. Если им это удастся, рынок носимых аккумуляторов может измениться. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Литий-ионные
аккумуляторы сейчас используются
повсеместно
—
на
них работают смартфоны, ноутбуки и даже
электромобили.
Однако,
запасы
материалов (главным образом лития,
никеля
и
кобальта) для таких батарей на нашей
планете ограничены
и
быстро
истощаются,
а
перерабатывать их все еще сложно
и дорого.
Поэтому
ученые ищут альтернативные
материалы
для
легких перезаряжаемых аккумуляторов,
и
один из вариантов — органические
полимеры.
Чтобы
изготовить
перезаряжаемый аккумулятор, нужны
материалы, которые
обратимо
принимают
и отдают
электроны, оставаясь
стабильным
и в окисленном
и в восстановленном
виде.
В
органических аккумуляторах чаще
всего используют
углеводородные
полимеры
с
редокс-активными группами в
боковых цепях.
Такие
аккумуляторы
недорогие
и сделаны
без
кобальта, никеля и других дорогостоящих
металлов, однако у них есть и существенный
недостаток. Перерабатывать
подобные
редокс-активные полимеры
трудно
— по
строению и свойствам они похожи на
пластик, причем самые «проблемные» для
переработки виды, такие как полипропилен
и полистирол. Если
полимерные аккумуляторы будут
использоваться так же широко, как
литий-ионные,
накопление
отработанных катодных и анодных
материалов может стать серьезной
экологической проблемой. Поэтому
ученые
хотят
заменить полимеры
с углеводородные каркасом на
менее
токсичные и
более
удобные для переработки аналоги.
Но
найти
такой материал не так
просто,
ведь он должен удовлетворять двум почти
противоречащим
требованиям: быть стабильным во
время зарядки и разрядки и быстро
разлагаться после
окончания использования.
Большой шаг вперед удалось сделать американским материаловедам под руководством Карен Вули (Karen L. Wooley) из Университета Техаса. Вместо углеводородного каркаса катодных и анодных материалов они использовали каркас из полипептидов — биополимеров, которые состоят из остатков аминокислот, соединенных пептидной (—C(O)NH—) связью. Полярная пептидная связь в составе полипептидов более реакционно способна, чем связи углерод-углерод, из которых состоит каркас углеводородов, поэтому такие материалы легче переработать — например с помощью реакции гидролиза. К полипептидному каркасу ученые присоединили функциональные группы, участвующие в зарядке и разрядке — для катода они использовали (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксил (TEMPO), а для анода — метилбипиридиновый фрагмент (viol-Cl).
Нужные полипептиды авторы синтезировали из L-глутаминовой аминоксилоты. Сначала к аминокислоте добавляли различные спирты, чтобы с помощью этерификации ввести алкильный или хлоралкановый фрагмент, который в дальнейшем можно будет заменить на другую группу, а после этого проводили циклизацию и последующую полимеризацию с раскрытием цикла. Затем в боковую цепь полученного полипептида вводили нужные функицональные группу — viol-Cl или два фрагмента TEMPO. Всего для синтеза катодного материала с TEMPO потребовалось девять стадий превращения, а для анодного с viol-Cl — семь.
Сначала оба материала испытали по отдельности — с помощью циклической вольтамперометрии и в составе полуячеек с литиевым противоэлектродом. Убедившись, что оба полипептида окисляются и восстанавливаются обратимо, авторы изготовили прототип полимерного аккумулятора без металлов — ячейку типа сэндвич с разделителем из фильтровальной бумаги, пропитанной электролитом.
Максимальная разрядная емкость пептидной батарейки — 37,8 миллиампер-час на грамм катодного материала (в несколько раз ниже, чем у традиционных органических аккумуляторов и более чем на порядок ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов). Стабильность аккумулятора тоже явно недостаточна: спустя 250 циклов зарядки разрядки емкость снизилась более, чем в пять раз — до 7,5 миллиапмер-час на грамм катодного материала. Снижение емкости происходит потому, что в процессе зарядки и разрядки полипептиды постепенно растворяются в электролите. Чтобы улучшить емкость и стабильность аккумуляторов, авторы планируют стабилизировать полипептиды с помощью кросс-линкеров — мостиковых групп, которые соединяют соседние полимерные цепи друг с другом.
А вот успешно переработать использованные устройства авторам удалось уже сейчас. Они помещали отработанные аноды и катоды в соляную кислоту — концентрацию кислоты и температуру варьировали. Уже при температуре 110 градусов Цельсия материалы полностью разложились за 24 часа. Среди продуктов разложения — L-глутаминовая аминоксилота, которую можно очистить и использовать для получения новых полипептидов. А вот боковые фрагменты цепей, с viol-Cl и TEMPO в процессе гидролиза деформировались сильнее, так что их нельзя использовать вторично. Вули и ее коллеги планируют попробовать более мягкий способ гидролиза полипептидов, чтобы его можно было полностью воссоздать из продуктов разложения.
Смогут
ли полимерные аккумуляторы в
будущем стать
полноценной заменой литий-ионным, пока
сказать нельзя. Поэтому
параллельно
ученые продолжают искать новые простые
способы
переработки литий-ионных аккумуляторов.
Например, в прошлом году химики
из Франции и Сингапура предложили
использовать для
извлечения металлов препарат апельсиновой
кожуры.
Благодаря
сочетанию
нескольких
восстанавливающих сахаров и антиоксидантов
можно извлечь
из отработанного
катода более 90 процентов кобальта без
образования вредных побочных продуктов.
Наталия
Самойлова