Растение марена или Rubia tinctorum – прекрасный источник органического красителя пурпурина, издавна применяемого людьми для окраски тканей. Ученые из Университета Райса и Городского колледжа Нью-Йорка обнаружили, что достоинства пигмента не ограничиваются его цветом. Пурпурин может быть использован в качестве эффективного и натурального катода для линий-ионных аккумуляторов.
Приступая к исследованиям, ученые из Райса надеялись найти способы улучшить свойства распространенных литий-ионных аккумуляторных батарей. По их мнению, вещество растительного происхождения может послужить основой для создания экологически чистых накопителей электричества и решить многие существенные проблемы.
Как отметил ведущий автор Арава Липа Мохана Редди (Arava Leela Mohana Reddy): «Зеленые батареи нужны уже сегодня, но до сих пор эта тема не была рассмотрена должным образом. В настоящее время деятельность научного сообщества все еще сконцентрирована на обычных батареях, главным образом на увеличении их емкости. В то же время такие вопросы как переработка и устойчивость имеют важнейшее значение».
Литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день стали стандартом. Однако, как и прежде они остаются дорогими в производстве. Кроме этого, по мнению Редди, они несут в себе потенциальную угрозу экологии. «Они используют катоды из лития и оксида кобальта, которые стоят очень дорого. Добыча кобальта и производство катодов в высокотемпературной среде требует больших затрат. Большой проблемой является переработка. В 2010 году переработки требовали почти 10 миллиардов литий-ионных батарей, для чего требуется много энергии. Извлечение из аккумуляторов кобальта – дорогостоящий процесс».
Редди и его коллеги наткнулись на пурпурин в ходе тестирования органических веществ на способность электрохимического взаимодействия с литием. Оказалось, что пигмент наиболее пригоден для связывания ионов лития.
Добавив в пурпурин 20% углерода, что повысило электрическую проводимость, ученые построили половину аккумуляторной батареи удельной емкостью 90 мА/час на грамм после 50 зарядно-разрядных циклов. При этом изготовление катода происходило при комнатной температуре.
По словам Редди, им удалось разработать очень простой механизм. Предположительно сырьем для катодов нового типа могут стать сельскохозяйственные отходы, что сделает технологию еще более экономной. Таким образом, инновационные батареи решают две задачи, удовлетворение потребности в эффективном хранении электроэнергии и переработки отходов.
Как отметил другой ведущий автор, профессор химии Городского колледжа Нью-Йорка Джордж Джон (George John): «Проблема состояла в том, чтобы понять химию взаимодействия между ионами лития и органическими молекулами. Теперь у нас есть правильное понимание, и мы можем использовать другие молекулы для совершенствования процесса».
Ученые стремятся создать полностью зеленую аккумуляторную батарею. Команда ищет органические молекулы, пригодные для анодов и электролита. Как надеется Редди, рабочий прототип полной органической батареи может появиться в течение нескольких лет.
По материалам Rice
