Дешевая биомолекула впервые делает воздушно-цинковый элемент перезаряжаемым, но 250 циклов кажутся лучше, чем они есть на самом деле в лабораторных испытаниях.
Витамин, который можно купить в любой аптеке, питает батарейку. Такое впечатление складывается из сообщения, которое недавно отправил Университет Кордовы. Конечно, она не совсем не права. Но это тоже не совсем так.
Подробности читайте после объявления
Потому что витамин B12 здесь не является поставщиком энергии, а всего лишь катализатором в воздушно-цинковой батарее. При этом цинк вступает в реакцию с кислородом окружающей среды, а витамин ускоряет эту реакцию. Атом кобальта в центре молекулы имеет решающее значение.
Заряжается впервые
Исследовательская группа FQM-204, представившая результаты, не новичок. Она уже дважды помещала биомолекулы в батарейки. В 2023 году она представила клетку с человеческим гемоглобином, а позже — с ферментом каталазой. Однако ни одному из них не удалось предъявить обвинение.
Это именно то, что теперь можно сделать, используя витамин B12 в качестве катализатора. Как минимум до 250 циклов зарядки-разрядки, пишет вуз в пресс-релизе.
Однако сначала исследователям пришлось преодолеть химический барьер. Витамин B12 водорастворим и быстро вымывается водным электролитом.
Подробности читайте после объявления
Чтобы предотвратить это, команда химически связала его с углеродными нанотрубками. Таким образом, исследователи имитировали процесс объединения аминокислот в белки, объясняет Мануэль Кано Луна, соавтор исследования. В отличие от многих других катализаторов, ничего не нагревалось, поэтому молекула оставалась неповрежденной.
Используемые суммы мизерные. На электроде испытательной ячейки было 0,625 миллиграмма катализатора. Помимо элемента с жидким электролитом, команда создала гибкую версию с гелем, которая будет интересна для носимой электроники.
Шесть минут на зарядку, шесть на разрядку
Однако заявленные университетом 250 циклов зарядки применимы только при определенных условиях испытаний. Это становится понятно, прочитав исследование. Журнал химии материалов A появился.
Соответствующий циклический тест удалил лишь небольшую часть заряда, который может хранить ячейка. 0,2 миллиампер-часа (мАч) удалялись и добавлялись обратно за шаг. Это соответствует шести минутам разрядки и еще шести минутам перезарядки.
Подробности читайте после объявления
Для сравнения: в отдельном тесте с жидким электролитом тестовая ячейка выдала 124,6 миллиампер-часов при полной разрядке. 0,2 миллиампер-часа будут соответствовать примерно 0,16 процента от этого; однако этот процент не измеряется напрямую для циклически работающей ячейки с гелевым электролитом.
Напряжение разряда также не осталось неизменным: в гелевой ячейке оно по-прежнему составляло более 1,0 В после 180 циклов и более 0,9 В после 235 циклов. Японскоязычная научная среда также указывает на важность условий испытаний для классификации количества циклов. КсеноСпектр который пересчитал цифры из исследования.
Настоящее открытие заключается в сравнении. Идентичная клетка без B12 вышла из строя примерно через 100 циклов. В варианте с гелевым электролитом он даже провалился во втором тесте.
Подробности читайте после объявления
Около квадратного сантиметра электрода
Измерения проводились на лабораторных ячейках с активной площадью электродов 1,1 квадратных сантиметра. Ячейка с катализатором B12 достигла мощности около 30 милливатт в тесте с жидким электролитом.
В отдельном тесте на выработку кислорода, важном для зарядки, катализатор показал себя хуже, чем коммерчески доступный оксид кобальта: для достижения 10 миллиампер на квадратный сантиметр ему потребовалось 0,77 вольт перенапряжения, оксиду кобальта — всего 0,45 вольт. Пока неясно, смогут ли независимые лаборатории подтвердить результаты.
Так зачем же усилия? Цинк дешев и его легко перерабатывать. Водный электролит не горит. Цинк-воздух уже давно используется в качестве одноразовой батарейки в слуховых аппаратах.
С другой стороны, перезаряжаемые версии десятилетиями выходили из строя из-за короткого срока службы, как следует из обзорной статьи в Нано-микробуквы держится. Хотя отдельные лаборатории сейчас сообщают о тысячах циклов, основными проблемами остаются короткий срок службы и коррозионные воздушные электроды.
Подробности читайте после объявления
Проблема в воздухе
В испытании в Кордове это также произошло не из-за витамина. После испытаний кобальт все еще оставался на электроде. Емкость снизилась из-за того, что катализатор постепенно покрылся отложениями оксида цинка и карбоната калия. Карбонат образуется при попадании углекислого газа из воздуха в электролит.
Университет представляет работу как альтернативу литий-ионным батареям, сырье для которых часто добывается в проблемных условиях. Она рассматривает это как строительный блок для хранения, который поглощает избыток зеленой электроэнергии.
Но до прототипа еще далеко. Домашнюю систему хранения приходится глубоко заряжать и разряжать каждый день в течение многих лет. Для этого ячейке потребуются большие электроды и защита от отложений. Ни того, ни другого пока не существует.
То, что осталось, меньше заголовка. Дешевая молекула природы сделала воздушно-цинковый элемент значительно более долговечным.
