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.

* — Чтобы не выстраивать сомнительные отношения с экологией, продвинутое человечество старается брать от природы только то, с чем она расстается безболезненно, и не «благодарить» ее токсичными отходами — на этом принципе основывается альтернативная энергетика: «Бактерии для водородной энергетики» [1] и «Биофотовольтаика. По-настоящему зелёная энергия» [2]. — Ред.

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 [3], 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 [4]. На базе этих наработок и за счет поддержки совместным русско-индийским грантом РФФИ стало возможным проведение дальнейшей работы.

* — Об устройстве и функционировании бактериальных жгутиков: «Движение бактерий» [5]. — Ред.

Археи относятся к отдельной группе* микроорганизмов (точнее, домену жизни вообще) и зачастую обитают в экстремальных условиях. Так, для галофильной археи H. salinarum, жгутики которой используются для движения клетки (рис. 1), комфортным является существование в условиях очень высокой солености, а именно — в практически насыщенном растворе хлорида натрия (250 г соли в 1 л жидкой среды). Такие экстремальные условия позволили предположить, что жгутики, состоящие из белков флагеллинов, будут стабильны даже в жестких неприродных условиях, например, внутри аккумулятора.

* — Когда именно, кто и почему отделил архей от бактерий, читайте в статье «Карл Вёзе (1928–2012)» [6], а о выявлении интимных междоменных связей — в статье «Закинули археи эволюционный невод и вытянули...» [7]. — Ред.

Для получения анодного материала, характеристики которого раскрываются в статье в Scientific reports, исследователи на генетическом уровне программировали клетки H. salinarum на производство жгутиков из флагеллинов, в составе которых находились дополнительные последовательности отрицательно заряженных аминокислотных остатков. Как следствие, модифицированные жгутики H. salinarum приобретали отрицательно заряженную поверхность и становились способными притягивать положительно заряженные ионы металлов. В работе были использованы ионы трехвалентного железа, которые химическим путем превращали в наноразмерные частицы оксида железа. В конечном счете это позволило получить материал, представляющий собой наноразмерные нити, поверхность которых состоит из оксида железа, а в сердцевине находится жгутик H. salinarum (рис. 2).

Оксид железа как материал анода имеет высокую теоретическую электрохимическую ёмкость, но до сих пор материалы на его основе не достигли расчетных значений. За счет наноразмерности и организованной структуры материала на основе жгутиков H. salinarum, а также добавления высокопроводящих углеродных нанотрубок, удалось добиться очень высокой и стабильной электрохимической ёмкости, даже немного превзошедшей теоретический предел. Ёмкость, составившая примерно 1100 мА·ч/г, более чем в четыре раза выше ёмкости углеродного анода. Это значит, что в комбинации с подобным (но еще пока не созданным!) материалом катода были бы получены аккумуляторы, позволяющие электронным устройствам работать в четыре раза дольше, а электромобилям во столько же раз увеличить свой пробег. Проверенный и описанный в статье метод позволяет надеяться, что на тех же принципах в скором времени будет создан и катод.

Литература

1. Бактерии для водородной энергетики;
2. Биофотовольтаика. По-настоящему зелёная энергия;
3. Beznosov S.N., Veluri P.S., Pyatibratov M.G., Chatterjee A., MacFarlane D.R., Fedorov O.V., Mitra S. (2015). Flagellar filament bio-templated inorganic oxide materials — towards an efficient lithium battery anode. Sci. Rep. 5. doi: 10.1038/srep07736;
4. Безносов С.Н., Пятибратов М.Г., Фёдоров О.В., Кулова Т.Л., Скундин А.М. (2011). Электрохимические характеристики наноструктурированного материала на основе модифицированных жгутиков галофильной археи Halobacterium salinarum для отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора. Российские нанотехнологии. 11–12 (6), 43–47;
5. Движение бактерий;
6. Карл Вёзе (1928–2012);
7. Закинули археи эволюционный невод и вытянули....