В последние годы литий-воздушные аккумуляторные батареи, имеющие более высокие показатели плотности хранения энергии, нежели традиционные литий-ионные аккумуляторные батареи, все больше и больше рассматриваются в качестве кандидатов на источники энергии электрических и гибридных транспортных средств. Но существующие опытные образцы литий-воздушных аккумуляторных батарей, несмотря на ряд очевидных преимуществ, имеют еще и целый ряд недостатков, которые препятствуют началу и массового внедрения. Призвав на помощь генетически модифицированные вирусы определенного типа, исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ увеличить надежность и долговечность литий-воздушных аккумуляторных батарей, плотность хранения энергии которых в два-три раза превосходит аналогичный показатель литий-ионных аккумуляторов.

Отличительной особенностью литий-воздушных аккумуляторных батарей, которая позволяет им демонстрировать более высокие значения плотности хранения энергии, является их способность использовать энергию кислорода, содержащегося в окружающем воздухе. Этот кислород вступает в химическую реакцию с материалом электролита, располагающемся в промежутке между литиевым анодом и углеродистым катодом батареи. Использование энергии атмосферного кислорода позволяет снизить количество ионов тяжелых материалов в растворе электролита, что в свою очередь позволяет снизить объем и вес аккумулятора в целом. Но это требует также использования нанопроводников в качестве материала одного из электродов, которые позволяют увеличить эффективную площадь поверхности этого электрода.

Ученые уже достаточно давно владеют технологиями создания или выращивания нанопроводников с помощью высокоэнергетических химических или физических процессов, но такие нанопроводники имеют массу недостатков, они очень хрупки и непрочны, а их материал достаточно быстро разрушается при многократных циклах разряда и заряда аккумуляторной батареи.

Вирус M13

Используя генетически модифицированный специальным образом штамм вируса M13, группа исследователей из Массачусетского технологического института смогла вырастить "сетку" из нанопроводников, толщиной всего 80 нанометров, имеющих достаточно большую площадь поверхности. Вирус M13 был модифицирован таким образом, что он начал собирать из окружающей среды атомы определенного металла, подобно тому, как некоторые морские организмы собирают кальций из морской воды, выстраивая из него свои раковины.

"Вытягивая" из окружающей среды атомы марганца, вирусы построили вокруг себя оболочку из окиси марганца, превратившись в прочные нанопроводники. Окись марганца является материалом, который достаточно часто используется в качестве материала для электродов аккумуляторных батарей благодаря наличию массы острых шипов и выступов на его поверхности, которые увеличивают площадь поверхности электродов. Помимо этого, такой метод создания нанопроводников, идущий при комнатной температуре, позволяет получить не отдельные нанопроводники а целые сети из множества связанных между собой нанопроводников, которые представляют собой достаточно прочную структуру, выдерживающую существенные механические нагрузки.

После создания сети нанопроводников она помещается в другой химический раствор, из которого вирусы начинают черпать атомы другого металла - палладия. Покрытие марганцевого нанопроводника палладиевой пленкой позволяет во много раз увеличить электрическую проводимость нанопроводника, что снижает потери энергии при прохождении через него электрического тока, позволяя реализовать более быстрый процесс зарядки аккумуляторной батареи и организовать более быстрый отбор энергии, содержащейся в аккумуляторной батарее.

Используя такой "вирусный" процесс, исследователи создали катод для опытного образца литий-воздушной аккумуляторной батареи, которая была подвергнута циклу жестких испытаний. В ходе этих испытаний батарея без заметного снижения своих показателей выдержала лишь 50 непрерывных циклов заряда-разрядки. Это, конечно, существенно меньше тысяч циклов, которые могут выдерживать литий-ионные аккумуляторные батареи, но следует учесть, что новая литий-воздушная батарея является лишь первым "пробным шаром" в направлении вирусных технологий изготовления аккумуляторных батарей. И дальнейшие исследования, направленные на поиск соответствующего состава электролита, на разработку оптимальной формы электродов и оптимальной конструкции батареи позволят ученым, по крайней мере они на это надеются, добиться результатов, которые сделают технологию вирусного производства коммерчески жизнеспособной.