Автор: В то время как мир стремится к электрификации всего — от автомобилей до судов, спрос на высокоэффективные и долговечные аккумуляторы стремительно растет.
Между тем, многие аккумуляторы, питающие наши “зеленые” технологии, не так экологичны, как можно подумать.
В большинстве коммерческих аккумуляторов используются фторированные полимерные связующие, такие как поливинилиденфторид.
Эти материалы обладают хорошими эксплуатационными характеристиками — они химически стабильны, устойчивы к нагреванию и очень долговечны.
В то же время, за их использование расплачивается природа, так как фторированные полимеры получают из фторсодержащих химических веществ, которые плохо разлагаются, выделяя стойкие загрязнители.
ПФАС (пер- и полифторалкильные вещества), в процессе производства и утилизации, попадая в окружающую среду, могут сохраняться в воде, почве и даже в тканях человека в течение сотен лет, за что их прозвали “вечными химикатами”.
Далее.
Каждая перезаряжаемая батарея состоит из трех основных компонентов: двух электродов, разделенных жидким электролитом, который позволяет заряженным атомам (ионам) перемещаться между ними.
Во время зарядки батареи, ионы перемещаются от одного электрода к другому, накапливая энергию.
В рабочем режиме, заряженные атомы возвращаются на свое первоначальное место, высвобождая накопленную энергию для питания вашего телефона, автомобиля или сети.
Каждый электрод представляет собой смесь из трех частей: активного материала, который накапливает и высвобождает энергию, проводящей добавки, которая помогает электронам двигаться, и связующего, которое удерживает все вместе.
Связующее вещество действует как клей, удерживая частицы на месте и предотвращая их растворение во время использования.
Без него аккумулятор не смог бы поддерживать заряд всего после нескольких применений.
Между тем, многие морские организмы эволюционировали, научившись прикрепляться к мокрым, скользким поверхностям.
Мидии, моллюски, песчаные черви и осьминоги производят натуральные клеи, которые прилипают к камням, корпусам кораблей и кораллам в неспокойных водах — в таких условиях они не поддаются воздействию большинства синтетических клеев.
Секрет мидий кроется в молекулах, называемых катехолами, которые содержат уникальную аминокислоту в составе липких белков, помогая образовывать прочные связи с поверхностью и почти мгновенно затвердевать под воздействием кислорода. Не удивительно, что выявленный химический состав уже послужил основой для создания синтетических клеев, используемых для заклеивания ран, восстановления сухожилий и создания покрытий, которые прилипают к металлу или стеклу под водой.
Продвигаясь по этому пути, ученые принялись изучать родственную молекулу под названием галлол.
Как и катехол в мидиях, галлол используется морскими растениями и водорослями для удержания влаги на поверхности.
Его химическая структура очень похожа на катехол, но содержит дополнительную функциональную группу, которая делает его еще более адгезивным и универсальным, что дает возможность образовывать различные типы прочных, долговечных и обратимых соединений — свойства, которые делают его отличным связующим для электрических батарей.
Работая с проф. Дуайт С. Сеферос (Dwight S. Seferos) из Университета Торонто ученая исследовательница Алисия Батталья разработала полимерное связующее на основе химического состава галлола в соединении с цинком.
Такое решение сделало вещество более безопасным и дешевым по сравнению с литием.
В отличие от лития, цинк негорюч.
Кроме того, его легче получать из экологически чистых источников, что делает его идеальным для крупномасштабного применения.
Алисия делится своим мнением:
Результаты были замечательными.
Наши цинковые аккумуляторы на основе галлола сохраняли на 52% более высокую энергоэффективность после 8 000 циклов зарядки-разрядки по сравнению с обычными аккумуляторами, в которых используются фторированные связующие, что на практике означает более длительный срок службы устройств, меньшее количество заменяемых элементов и менее агрессивное воздействие на окружающую среду.
Таки образом, достигнутые результаты показали, что производительность и экологичность могут идти рука об руку в то время, как многие производители ошибочно считают “экологичность” и “эффективность” конкурирующими приоритетами.
Мы не можем построить по-настоящему чистую энергетику будущего, используя загрязняющие материалы. Слишком долго индустрия аккумуляторных батарей была сосредоточена на производительности любой ценой, даже если эта стоимость включает токсичные отходы, материалы, которые трудно перерабатывать, а также неустойчивые и неэтичные методы добычи полезных ископаемых.
Технологии следующего поколения должны быть устойчивыми по замыслу, создаваться из возобновляемых, биоразлагаемых и циркулирующих источников.
Ученые исходят из неоспоримого факта, что на протяжении миллиардов лет природа применяла эффективные самообновляющиеся системы.
Мидии, моллюски и морские водоросли являются прочными, гибкими и биоразлагаемыми материалами. Никаких отходов и никаких химикатов после себя не оставляют.
Пришло время обратить на это внимание.
Автор статьи, Алисия Батталья (Alicia Battaglia) — аспирант кафедры машиностроения и промышленной инженерии Университета Торонто, где она разрабатывает новые материалы для электролиза CO2.
Сама статья вышла в свет, благодаря The Conversation, и ее можно найти здесь в оригинале.
