Аноды для новых аккумуляторов на основе жгутиков архей

На основе разработки российских ученых из группы надмолекулярных белковых структур Института белка РАН (Пущино) был создан и протестирован ёмкий анодный материал, полученный с использованием биологических полимерных структур — жгутиков архей. Жгутики архей с измененной генно-инженерным путем поверхностью были использованы в качестве матрицы для нанесения на нее наноразмерных частиц оксида железа. Такой материал с добавлением углеродных нанотрубок оказался в четыре раза более ёмким по сравнению с серийно используемым графитом в качестве анода литий-ионных аккумуляторов.

Для повсеместно используемых электронных мобильных устройств — смартфонов, ноутбуков, планшетов — крайне актуально увеличение времени автономной работы. Во многом это зависит от ёмкости используемого в этих устройствах литий-ионного аккумулятора. Кроме того, аккумуляторы с высокой удельной ёмкостью (ёмкостью на единицу массы) очень востребованы в аэрокосмической области и при производстве электротранспорта с большим запасом хода. Обычно в таких случаях вспоминают про электромобиль Tesla Model S с, казалось бы, немалым запасом хода — около 500 км. Однако этот пример крайне неудачен, так как Tesla, по-видимому, так и останется роскошью, а не реальным средством передвижения, из-за довольно высокой цены. Примеры других электромобилей говорят о том, что при более низком соотношении «цена/качество» пробег на аккумуляторах составляет лишь около пары сотен километров.

Основные усилия сегодняшних электрохимиков сосредоточены вокруг получения ёмких электродных материалов, главной особенностью которых является наноструктурированность. За счет очень малых размеров частиц в таком материале всё вещество электрода участвует в электрохимических реакциях, процессы заряда-разряда такого аккумулятора могут проходить быстрее, а сами аккумуляторы меньше портятся со временем эксплуатации.

Получить наноструктурированный материал можно многими способами. Однако классический химический путь зачастую требует дорогостоящего оборудования и реактивов и может быть экологически недружелюбным*. Потому одним из новых и крайне перспективных направлений получения наноструктурированных электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов оказалось использование природных биополимеров. Живые организмы синтезируют разнообразные полимеры (например, нуклеиновые кислоты и белки), размер которых, как правило, находится в нанометровом диапазоне. Эти биополимеры могут служить основой (матрицей), которую покрывают частицами неорганического вещества, обеспечивающего накопление электрохимической энергии в аккумуляторе.

Пионером подобного подхода стала американская исследовательница Анжела Бэлчер из Массачусетского технологического института, которая использовала генетически модифицированный вирус М13 для изготовления материалов анода и катода литий-ионного аккумулятора. В белок оболочки этого вируса были встроены последовательности из аминокислотных остатков, придающие поверхности вируса выраженный отрицательный заряд. В итоге нитчатый вирус диаметром 7 нм можно было покрыть панцирем из оксида кобальта или фосфата железа. Как показали исследователи, подобные гибридные материалы накапливают в 2–3 раза больше электрической энергии по сравнению с используемыми сегодня аккумуляторами. Уже этого более чем достаточно для того, чтобы аккумуляторы из таких материалов были востребованы в определенных областях хозяйственной деятельности человека — например, там, где требуется максимальная ёмкость аккумуляторов. При этом применяемые материалы были достаточно стабильны, то есть при лабораторных испытаниях выдерживали более 100 циклов без существенной потери ёмкости. Подобная стабильность позволяет надеяться, что при доработке лабораторных образцов в промышленном производстве она сравняется или превзойдет таковую коммерческих аналогов.

В совместной русско-индийско-австралийской работе, результаты которой были недавно опубликованы в престижном журнале Scientific reports, данный подход был использован для получения анода литий-ионного аккумулятора на основе жгутиков* галофильной археи Halobacterium salinarum. Ранее русская часть данного коллектива совместно с российскими же электрохимиками получила анодный материал литий-ионного аккумулятора путем минерализации жгутиков H. salinarum оксидом кобальта, чем добилась двукратного повышения ёмкости анода по сравнению с промышленно применяемым углеродом. На базе этих наработок и за счет поддержки совместным русско-индийским грантом РФФИ стало возможным проведение дальнейшей работы.