В США разработали принципиально новую твердотельную батарею

Разрыв кольца циклогексадиена (CHD). Иллюстрация Physorg

Электрохимический апокриф гласит, что в 1938 году смотрители багдадского Музея Ирака обнаружили в захламленном углу 12 никому не нужных сосудов небольшого размера. Внутри находились железо и медь, залитые битумом, который использовался строителями Вавилонской башни. Ученые предположили, что кувшины представляют собой электрическую батарею, заряд которой помогал покрытию одного металла другим. (Древняя гальваника для никелирования?)

С той поры прошло много времени, и мы сейчас не можем себе представить жизни без батареек и аккумуляторов. Один из компонентов химических источников тока – электролит, помогающий конвертировать химическую энергию в электрическую. К сожалению, широко распространенные литиевые батареи не всегда безопасны.

Электрохимики Корнеллского университета в г. Итака (США) разработали принципиально новую твердотельную батарею. Процесс начинается с обычным жидкостным электролитом, который твердеет в процессе реакции полимеризации (разрыва кольцевых молекул). В своей статье, опубликованной в журнале Nature Energy, ученые описали созданный ими электролит SPE (Solid-state Polymer Electrolyte), твердеющий в результате полимеризации диоксолана под действием молекулы F3C-SO3, имеющей отрицательный заряд.

Интересно, что положительно заряженный алюминий способствует разрыву диоксоланового кольца, а отвердевший полимер обеспечивает превосходный контакт электролита с электродами. Литиевые ионы равномерно распределяются по поверхности электрода, сохраняя 98% эффективности даже после 300 циклов зарядки-разрядки. Мало того, по расчетам авторов, эффективность может сохраняться на 99% и после 700 циклов.

В Университете Бристоля и Университетском колледже Лондона предложили иной подход к решению проблемы эффективности электродов в химических источниках тока. Исследователи использовали гибкие полоски графена с добавлением фосфора. Ширина полосок 100 и длина – до 100 тыс. атомов. Полоски могут быть моноатомной толщины или многослойными. Расщепление последних меняет их проводимость и термоэлектрические свойства. Полоски, по мнению авторов, позволят заменить дефицитный и дорогой литий на натрий. В результате батарейки станут очень дешевыми и повысят емкость как минимум в 50 раз. Полоски можно будет использовать и для носимой электроники.

Возбуждение кольцевой молекулы (фиолетовая) с образованием линейной молекулы за 200-миллионных микросекунды.  Иллюстрации Physorg

В другой работе с помощью ультракоротких импульсов посмотрели распад триметиламина, представляющего собой три метильные группы – СН3, соединенные с азотом. Эксперимент показал, что отрыв метилов может происходить очень быстро, за какие-то 6,4 х 10–13 с. Скорость протекания реакции позволила резко снизить фоновый шум, ухудшавший разрешение метода.

Подобного рода исследования имеют большое практическое значение, например, применительно к проблеме резистентности к антибиотикам. Один из путей получения новых антибиотиков предложила американская исследовательница Фрэнсис Арнольд, получившая Нобелевскую премию по химии за 2018 год. Суть ее подхода заключается в получении различных форм ферментов, участвующих в синтезе бета-лактамов, с последующим введением полученных генов в кишечную палочку E.coli. В силу постоянной изменчивости микробного мира врачи постоянно нуждаются в новых антибиотиках. И вполне возможно, что метод, предложенный лабораторией нобелевского лауреата, окажется полезным в борьбе с инфекциями.