Экологически чистые батареи могут быть изготовлены из панцирей крабов

Материал, содержащийся в панцирях крабов, использовался для приготовления спиртного, перевязки ран и хранения энергии.

Отредактировано 2023-25-06
Ведро крабов в панцире которых содержится многоцелевой материал хитозанКрабы, которых мы едим, содержат в своем панцире хитозан, который ученые используют для изготовления батарей.

Есть те, кто говорит, что наступила эра батарей. Новые и усовершенствованные батареи, возможно, как ничто другое, сделали возможным мир мобильных телефонов, умных устройств и цветущего парка электромобилей. Электрические сети, работающие на чистой энергии, возможно, скоро будут зависеть от проектов аккумуляторных батарей размером с серверную ферму с огромной емкостью.

Но наши батареи не идеальны. Даже если когда-нибудь они станут основой устойчивого мира, сегодня они изготавливаются из материалов, которые таковыми не являются. В них используются тяжелые металлы или неорганические полимеры, на разложение которых могут уйти сотни лет. Вот почему утилизация батареек - такая сложная задача.

Исследователи из Университета Мэриленда и Университета Хьюстона создали батарею из многообещающей альтернативы - панцирей ракообразных. Они взяли биологический материал, который легко добывается из тех же крабов и кальмаров, которых вы едите, и превратили его в частично биоразлагаемую батарею. Свои результаты они опубликовали 1 сентября в журнале Matter.

Это не первый случай изготовления батарей из этого материала. По словам Лянбин Ху, материаловеда из Университета Мэриленда и одного из авторов статьи, новым в работе исследователей является дизайн.

Батарея состоит из трех ключевых компонентов: двух концов и проводящего наполнителя, называемого электролитом. Короче говоря, заряженные частицы, пересекающие электролит, создают устойчивый поток электрического тока. Без электролита батарея была бы просто сидящей шелухой электрического заряда.

В современных батарейках используется целая радуга электролитов, и лишь немногие из них вы бы особенно хотели взять в рот. В стандартной батарейке AA используется паста из гидроксида калия, опасного коррозийного вещества, из-за которого выбрасывать батарейки в мусорное ведро - очень плохая идея.

Аккумуляторные батареи в вашем телефоне - это совершенно другой тип батарей: литий-ионные батареи. Эти батареи могут работать в течение многих лет и обычно используют электролиты на основе полимеров, которые не так токсичны, но для их разрушения могут потребоваться столетия или даже тысячелетия.

Сами батареи, наполненные экологически небезопасными материалами, не являются самыми экологичными. Они также редко производятся устойчиво, поскольку зависят от добычи редкоземельных металлов. Даже если батарейки могут прослужить тысячи разрядов и перезарядов, каждый день выбрасываются тысячи других.

Поэтому исследователи прочесывают океаны материалов в поисках лучшей альтернативы. Для этого они начали выкапывать части ракообразных. Из крабов, креветок и омаров специалисты по изготовлению батарей могут извлечь материал под названием хитозан. Это производное хитина, из которого состоит твердый экзоскелет ракообразных и насекомых. Хитина достаточно много, и для его превращения в хитозан достаточно простого химического процесса.

Мы уже используем хитозан для многих целей, большинство из которых не имеют никакого отношения к батареям. С 1980-х годов фермеры посыпают хитозаном свои посевы. Он может ускорить рост растений и укрепить их защиту от грибковой инфекции.

Вдали от полей хитозан может удалять частицы из жидкостей: Водоочистительные установки используют его для удаления осадка и примесей из питьевой воды, а производители спирта - для осветления пива. Некоторые бинты покрыты хитозаном, который помогает заклеивать раны.

Из хитозанового геля тоже можно лепить вещи. Поскольку хитозан биоразлагаем и нетоксичен, он особенно хорош для изготовления вещей, которые должны попасть в человеческое тело. Вполне возможно, что в больницах будущего будут использовать специализированные 3D-принтеры для вырезания из хитозана тканей и органов для трансплантации.

Теперь исследователи пытаются поместить хитозан в батареи, концы которых сделаны из цинка. Эти аккумуляторы, которые сегодня в значительной степени являются экспериментальными, в один прекрасный день могут стать основой системы хранения энергии.

Исследователи из Мэриленда и Хьюстона не были первыми, кто задумался о создании хитозана для батарей. Ученые всего мира, от Китая до Италии, от Малайзии до Иракского Курдистана, уже около десяти лет играют с крабовым материалом, превращая его в замысловатую паутину, которую заряженные частицы могли бы пересекать, как искатели приключений.

Авторы новой работы добавили в структуру хитозана ионы цинка, что повысило его физическую прочность. В сочетании с цинковыми концами эта добавка также повысила эффективность батареи.

Такая конструкция означает, что две трети батареи являются биоразлагаемыми; исследователи обнаружили, что электролит полностью распадается в течение примерно пяти месяцев. По сравнению с обычными электролитами и их тысячелетними сроками жизни на свалке, говорит Ху, у этих батарей мало недостатков.

И хотя эта конструкция была разработана для экспериментальных цинковых батарей, Ху не видит причин, по которым исследователи не могут распространить ее на другие виды батарей, включая те, что находятся в вашем телефоне.

Теперь Ху и его коллеги продолжают свою работу. Одним из их следующих шагов, по словам Ху, будет расширение их внимания за пределы электролита - к другим частям батареи. "Мы будем уделять больше внимания разработке полностью биоразлагаемой батареи", - говорит он.