О компании
Служба поддержки
+7 (495) 221-69-21
+7 925 730-14-87
В отличие от утилизации обычных батарей, полипептидные электроды в органической батарее могут разлагаться до аминокислот.
Теоретически большинство обычных аккумуляторов подлежат переработке, независимо от их химического состава и материалов, но на практике большинство аккумуляторов «выбрасывают», в результате они попадают на свалки. За исключением автомобильных аккумуляторов (около 90% из свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатывается в США), цифры для других типов аккумуляторов намного ниже, сильно разняться от страны к стране. Все эти вышедшие из строя батареи увеличивают количество отходов, а также представляют собой расходование незаменимых материалов и минералов. Вот почему действительно биоразлагаемый аккумулятор обладает большим преимуществом.
Это и является целью проекта, выполняемого командой, возглавляемой Джоди Люткенхаус, профессором химического машиностроения и материаловедения и инженерии Техасского университета A&M. Они разработали батарею не содержащую металлов, в которой используется органический полипептидный «каркас» для электродов, который может быть разложен кислотой на аминокислоты для потенциального повторного использования. Амидные связи вдоль пептидного остова стабильны во время работы батареи, но могут разрушаться при повторном использовании (рис. 1) .
Рис. 1. Схематическое изображение этапов проекта, начиная с синтеза полипептидов, сборки электродов на основе полипептидов и разложения полипептидов
В основных химических терминах они начали с полипептидных цепей 1-глутаминовой кислоты, затем присоединили 2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидин-1-оксил (biTEMPO), чтобы получить катод и производные 4,4′-бипиридина ( viologen) для изготовления анода (рис. 2). Химический механизм, основанный на радикалах, «перемещал» электроны между двумя структурами.
Рис. 2. Для изготовления катода использовалась цепь biTEMPO, а для анода — виологеновая цепь
Батарея — это сложнее, чем разрозненные элементы. В целом конструкция этой ячейки аналогична ячейке с литиевым электродом (рис. 3).
Рис. 3. (a) Полусэндвич-ячейка: рабочий электрод из полипептидного композита из виол-Cl или biTEMPO и электрод для сравнения из металлического лития с разделителем из фильтровальной бумаги. (b) Полная сэндвич-ячейка: рабочий электрод из полипептидного композита Vio-Cl и композитный электрод для сравнения biTEMPO с разделителем из фильтровальной бумаги.
Плотность хранения этой батареи с напряжением на клеммах от 1,1 до 1,6 В составляет около 38 мА-ч/г и 60 мВт-ч/г, что примерно в три раза меньше, чем у литиевых источников.
Чтобы вызвать разрушение (разложение) батареи, команда добавила соляную кислоту, а затем использовала масс-спектрометр, чтобы подтвердить, что соединение батареи распалось на l-глутаминовую кислоту, н- гексиламин и другие продукты гидролиза. Они отмечают, что даже если эти батареи не попадут в центр переработки, они все равно в конечном итоге естественным образом разложатся в окружающей среде на эти соединения.
Работа была поддержана Национальным научным фондом, Фондом Уэлча и Управлением науки Министерства энергетики США. Это подробно описано в их статье в Nature с названием «Батареи полипептидных органических радикалов» вместе с очень подробным документом «Дополнительная информация». Кроме того, есть интересный, краткий поэтапный рассказ профессора Люткенхауса «Путь к полипептидным органическим радикальным батареям» в книге «Разработка устройств и материалов», в котором описывается, как команда решала различные проблемы, с которыми они сталкивались в ходе реализации проекта. В статье добавлена реальная перспектива, которую не часто можно увидеть в официальных презентациях исследований.
1. «Батареи полипептидных органических радикалов» https://www.nature.com/articles/s41586-021-03399-1
2. «Дополнительная информация» https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41586-021-03399-1/MediaObjects/41586_2021_3399_MOESM1_ESM.pdf
3. «Путь к полипептидным органическим радикальным батареям» https://devicematerialscommunity.nature.com/posts/organic-radical-peptide-batteries
4. «Разработка устройств и материалов» https://devicematerialscommunity.nature.com/posts/organic-radical-peptide-batteries
Источник: www.electronicdesign.com