Американські матеріалознавці виготовили перероблювані органічні акумулятори з електродами на основі поліпептида. Відпрацьований акумулятор можна повністю гідролізувати за 24 години, а отриману амінокислоту використовувати для отримання нових акумуляторів. Поки що стабільність нових акумуляторів недостатня для комерційного використання, але в авторів є ідеї, як можна буде поліпшити її надалі. Якщо їм це вдасться, ринок носимих акумуляторів може змінитися. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Літій-іонні акумулятори зараз використовуються повсюдно - на них працюють смартфони, ноутбуки і навіть електромобілі. Однак, запаси матеріалів (головним чином літію, нікелю і кобальту) для таких батарей на нашій планеті обмежені і швидко виснажуються, а переробляти їх все ще складно і дорого. Тому вчені шукають альтернативні матеріали для легких перезаряджуваних акумуляторів, і один з варіантів - органічні полімери. Щоб виготовити перезаряджуваний акумулятор, потрібні матеріали, які звернемо приймають і віддають електрони, залишаючись стабільним і в окисленому і у відновленому вигляді. В органічних акумуляторах найчастіше використовують вуглеводневі полімери з редокс-активними групами в бічних ланцюгах. Такі акумулятори недорогі і зроблені без кобальту, нікелю та інших дорогих металів, проте у них є і істотний недолік. Переробляти подібні редокс-активні полімери важко - за будівництвом і властивостями вони схожі на пластик, причому найбільш «проблемні» для переробки види, такі як поліпропілен і полістирол. Якщо полімерні акумулятори будуть використовуватися так само широко, як літій-іонні, накопичення відпрацьованих катодних і анодних матеріалів може стати серйозною екологічною проблемою. Тому вчені хочуть замінити полімери з вуглеводневі каркасом на менш токсичні і більш зручні для переробки аналоги. Але знайти такий матеріал не так просто, адже він повинен задовольняти двом майже таким, що суперечить вимогам: бути стабільним під час зарядки і розрядки і швидко розкладатися після закінчення використання.
Великий крок вперед вдалося зробити американським матеріалознавцям під керівництвом Карен Вулі (Karen L. Wooley) з Університету Техасу. Замість вуглеводневого каркаса катодних і анодних матеріалів вони використовували каркас з поліпептидів - біополімерів, які складаються з залишків амінокислот, з'єднаних пептидним (- C (O) NH -) зв'язком. Полярний пептидний зв'язок у складі поліпептидів більш реакційно здатний, ніж зв'язки вуглець-вуглець, з яких складається каркас вуглеводнів, тому такі матеріали легше переробити - наприклад за допомогою реакції гідролізу. До поліпептидного каркасу вчені приєднали функціональні групи, що беруть участь у зарядці і розрядці - для катода вони використовували (2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-ил) оксил (TEMPO), а для аноду - метилбіпірідіновий фрагмент (viol-Cl).
Потрібні поліпептиди автори синтезували з L-глутамінової аміноксилоти. Спочатку до амінокислоти додавали різні спирти, щоб за допомогою етерифікації ввести алкільний або хлоралкановий фрагмент, який надалі можна буде замінити на іншу групу, а після цього проводили циклізацію і подальшу полімерізацію з розкриттям циклу. Потім у бічний ланцюг отриманого поліпептида вводили потрібні функіцональні групу - viol-Cl або два фрагменти TEMPO. Всього для синтезу катодного матеріалу з TEMPO знадобилося дев'ять стадій перетворення, а для анодного з viol-Cl - сім.
Спочатку обидва матеріали випробували окремо - за допомогою циклічної вольтамперометрії і в складі напівосередків з літієвим протиелектродом. Переконавшись, що обидва поліпептиди окисляються і відновлюються звернемо, автори виготовили прототип полімерного акумулятора без металів - комірку типу сендвіч з роздільником з фільтрувального паперу, просоченого електролітом.
Максимальна розрядна ємність пептидної батарейки - 37,8 міліампер-година на грам катодного матеріалу (в кілька разів нижче, ніж у традиційних органічних акумуляторів і більш ніж на порядок нижче, ніж у літій-іонних акумуляторів). Стабільність акумулятора теж явно недостатня: через 250 циклів зарядки розрядки ємність знизилася більш, ніж у п'ять разів - до 7,5 міліапмер-год на грам катодного матеріалу. Зниження ємності відбувається тому, що в процесі зарядки і розрядки поліпептиди поступово розчиняються в електроліті. Щоб поліпшити ємність і стабільність акумуляторів, автори планують стабілізувати поліпептиди за допомогою крос-лінкерів - мостикових груп, які з'єднують сусідні полімерні ланцюги один з одним.
А ось успішно переробити використані пристрої авторам вдалося вже зараз. Вони поміщали відпрацьовані аноди і катоди в соляну кислоту - концентрацію кислоти і температуру варіювали. Вже при температурі 110 градусів Цельсія матеріали повністю розклалися за 24 години. Серед продуктів розкладання - L-глутамінова аміноксилота, яку можна очистити і використовувати для отримання нових поліпептидів. А ось бічні фрагменти ланцюгів, з viol-Cl і TEMPO в процесі гідролізу деформувалися сильніше, так що їх не можна використовувати вторинно. Кулі та її колеги планують спробувати більш м'який спосіб гідролізу поліпептидів, щоб його можна було повністю відтворити з продуктів розкладання.
Чи зможуть полімерні акумулятори в майбутньому стати повноцінною заміною літій-іонним, поки сказати не можна. Тому паралельно вчені продовжують шукати нові прості способи переробки літій-іонних акумуляторів. Наприклад, минулого року хіміки з Франції та Сінгапуру запропонували використовувати для вилучення металів препарат апельсинової шкірки. Завдяки поєднанню кількох відновлювальних цукрів і антиоксидантів можна витягти з відпрацьованого катода понад 90 відсотків кобальту без утворення шкідливих побічних продуктів.