Новости химической науки > Литий-серные аккумуляторы нового поколения – теперь с ДНК

Исследователи из Китая обратились за советом к природе и использовали ее подсказки для создания нового дизайна источников питания, в которых, как предполагается, будет решена главная проблема возможных преемников литий-ионных аккумуляторов – литий-серных источников питания.

Литий-серные источники питания (Li–S-источники питания) представляют собой более дешевые, более надежные и обладающие почти в три раза большей плотностью энергии, чем большинство существующих литий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, отрицательной чертой Li–S-источников питания является их низкая устойчивость. Чтобы повысить стабильность источников питания нового типа, исследователи из Китая решили функционализировать электроды ДНК.

Принципиальная схема Li–S-источников питания такова – они состоят из анода, изготовленного из металлического лития, и катода, представляющего смесь углерода и серы; электроды разделены жидким электролитом. В процессе разрядки ионы лития отрываются от анода и реагируют с серой с образованием на катоде полисульфидов лития (Li₂S_x); в процессе зарядки происходит обратный процесс. Работа источника питания осложняется тем, что полисульфидные интермедиаты растворимы в электролите, и их растворение приводит к необратимой потере активной серы катода, что, очевидно, отрицательно влияет на производительность источника питания.

Для решения проблемы растворения полисульфидов лития было предложено несколько стратегий – нанесение покрытия на катод с целью изоляции серы от электролита, гибридизация материала катода с материалами, позволяющими удержать Li₂S_x на катоде за счет электростатических взаимодействий с ионами лития. Недостаток таких решений заключается в том, что они могут увеличить внутреннее сопротивление источника питания или понизить его емкость.

Ченган Жу (Chenggang Zhou) с коллегами из Института геологических наук Китая уже накопили порядочный опыт по созданию материалов для источников питания. В попытках найти добавку, которая обладала бы относительно небольшим весом, могла бы относительно легко диспергироваться по катоду за счет большого количества тиофильных групп, они обратили внимание на ДНК. Результаты компьютерного моделирования подтвердили, что функциональные группы всех четырех канонических азотистых оснований ДНК отличаются значительной тиофильностью, еще большее сродство к сере проявляют фосфатные мостики нуклеиновых кислот. Результаты моделирования были подтверждены экспериментально – диспергирование небольших количеств ДНК, полученной из молок лосося, на поверхность серо-углеродного катода привело к троекратному увеличению сохранения емкости после 200 циклов зарядка/разрядка.

В структуре ДНК достаточное количество гетероатомов, способных связывать полисульфиды – азот, кислород и фосфор. (Рисунок из J. Mater. Chem. A, 2015, DOI: 10.1039/c4ta06083k)

Как поясняет Жу, хотя ДНК уже находит широкое применение в химии материалов, результаты исследования его группы впервые демонстрируют возможности использования ДНК для закрепления полисульфидов в Li–S-источниках питания. Значительное увеличение стабильности и эффективности источников питания наблюдается уже при использовании небольших количеств ДНК – не более 1% от массы активных компонентов аккумулятора.

Специалист по источникам питания из Национального Университета Оборонных Технологий КНР Шижао Сён (Shizhao Xiong), отмечает, что, хотя в той или иной степени успешные попытки закрепить полисульфиды на катоде описывались и в других работах, идея применения ДНК для решения этой задачи представляется яркой и экстраординарной.

Источник: J. Mater. Chem. A, 2015, DOI: 10.1039/c4ta06083k

метки статьи: #аккумуляторы, #биохимия, #химическая технология, #электрохимия