Ученые изобрели аккумулятор, работающий на витаминах

Как работает цинк-воздушная батарея

Ученые из Химического института энергии и окружающей среды (IQUEMA) Кордовского университета выяснили, что витамин B12, необходимый человеческому организму, может способствовать питанию аккумулятора, пишет SciTechDaily. Разработкой занималась исследовательская группа по физической химии FQM-204.

Цинк-воздушная батарея вырабатывает электричество благодаря химическим реакциям между цинком и кислородом из окружающего воздуха. Обычные аккумуляторы хранят все реактивные материалы внутри, а эти берут кислород из окружающей среды. Благодаря этому они легче и обладают высокой энергетической плотностью, то есть могут накапливать много энергии по отношению к своему весу. Такие батареи уже используются в небольших устройствах, например, в слуховых аппаратах.

Цинк также выгоден потому, что его много и его можно перерабатывать. К тому же в этих батареях используются негорючие электролиты на водной основе. Поэтому они потенциально безопаснее литий-ионных, добыча сырья для которых создает экономические, социальные и экологические проблемы.

Один катализатор для зарядки и разрядки

Сделать цинк-воздушную батарею перезаряжаемой сложно. Нужен катализатор, то есть вещество, способствующее протеканию химических реакций. Он должен поддерживать как выработку электричества, так и обратный процесс для зарядки.

Витамин B12, известный также как кобаламин, оказался удачным кандидатом. В его молекуле содержится кобальт (III) – форма металлического кобальта, которая способствует запуску этих реакций. Витамин B12 естественным образом вырабатывается некоторыми бактериями, а также производится промышленным способом для пищевой и фармацевтической отраслей. Он содержится в продуктах животного происхождения, его применяют при дефиците питательных веществ, а вместе с другими витаминами группы B он стал популярным средством от похмелья, так как может снижать усталость.

Исследователь Антонио Хесус Фернандес Ромеро объяснил, почему витамин B12 подходит для этого:

Он доказал, что соответствует необходимым условиям для работы хорошего катализатора, потому что во время разряда он катализирует восстановление кислорода до воды, а во время заряда способствует выработке кислорода, 
– прокомментировал Антонио Хесус Фернандес Ромеро.

Главная сложность заключалась в том, чтобы удержать витамин внутри батареи. Витамин B12 легко растворяется в воде, поэтому его нельзя просто добавить в аккумулятор с водным электролитом. Ученые закрепили витамин на одностенных углеродных нанотрубках – чрезвычайно тонких углеродных структурах. Они удерживают его на месте и не мешают химическим реакциям. По словам исследователей, их подход копировал процесс, при котором аминокислоты соединяются в белки.

Автор исследования Мануэль Кано Луна рассказал об идее проекта:

"Мы изучали свойства, которые можно найти в природных материалах, чтобы использовать их в новых батареях, 
– рассказал Мануэль Кано Луна.

Это уже третий прототип батареи этой группы, в которой в качестве катализатора выступает биологическая молекула. Ранее ученые пробовали гемоглобин с железом (II) и каталазу с железом (III).

Главная особенность варианта с витамином B12 заключается в том, что аккумулятор можно перезаряжать. В ходе испытаний он выдержал до 250 циклов.

Прототип пока экспериментальный. Впрочем, результаты свидетельствуют о том, что природные молекулы могут помочь создать более дешевые и устойчивые системы хранения энергии. После дальнейшей разработки перезаряжаемые цинк-воздушные батареи могли бы накапливать избыток электроэнергии из возобновляемых источников. Это один из сложных моментов перехода к более чистой энергетике.