Мария Портнягина

Гемоглобин улучшает работу батарей в гаджетах

Как сделать, чтобы смартфоны, ноутбуки и даже электромобили работали дольше, а при подключении к электросети заряжались быстрее? Ученые нашли решение в эритроцитах, использовав для этого настоящую кровь.

Сегодня большинство устройств, которые нас окружают, работают на литий-ионных аккумуляторах. Емкие, эффективные, простые в применении, в знакомом нам виде они появились в начале 1990-х и с тех пор не сильно изменились.

Попытки их усовершенствовать значимых результатов пока не принесли. Мы по-прежнему ворчим, когда смартфон моментально разряжается на холоде. Или когда батарея беспроводных наушников, фотоаппарата, электрической зубной щетки требует нескольких часов для полной зарядки. А беспорядочная зарядка, которой все мы грешим, как отсутствие режима дня и ночи у человека, ведет к сбою: батарея хуже держит заряд и дольше заряжается. Если не сталкивались сами, то уж в интернете вам наверняка попадались картинки гаджетов с вздутым или вывороченным наружу аккумулятором. Это зачастую как раз из-за неправильной эксплуатации.

Ученые ломают голову над тем, как сделать аккумуляторы лучше. Чтобы заряд держали дольше и стабильно, а заряжались ощутимо быстрее. Ведь гаджеты в мире множатся, они становятся сложнее, а значит, энергозатратнее. Дополнительный импульс этим исследованиям дал запуск электромобилей, когда из мечты они превратились в пусть пока не массовый, но востребованный транспорт.

У человека и других позвоночных, обладающих кровообращением, этот белок находится в эритроцитах. Он содержит железо, благодаря чему способен связываться с молекулами кислорода и переносить их в ткани организма. Именно этот принцип действия и привлек ученых.

Передний край науки сегодня – это литий-воздушные аккумуляторы. Кислород из окружающей среды действует как реагент: он вступает в реакцию с литием в батарее, так вырабатывается электрическая энергия и образуется оксид лития. Потом, при зарядке, электрическая энергия передается в батарею из сети, происходит обратная реакция: оксид лития распадается на литий и кислород.

Согласно расчетам у этих батарей огромный потенциал: они обладают удельной энергией в 40 мегаджоулей на килограмм, что примерно в 5 раз больше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов. Однако работа литий-воздушных аккумуляторов очень привязана к химическому составу воздуха: присутствие в нем азота, углекислого газа и других элементов ведет к химическим реакциям, которые загрязняют поверхность электродов в батарее, в результате та быстро теряет производительность. Если литий-ионные батареи могут работать без значительной потери емкости до 1200 циклов зарядки-разрядки, то литий-воздушные – пока только до 700. И то в условиях лабораторного эксперимента при достижении максимального отсутствия примесей, то есть с использованием чистого кислорода. Это момент, в котором решающую роль может сыграть гемоглобин.

По задумке ученых гемоглобин способен захватывать молекулы кислорода из воздуха, как это происходит в организме человека, и транспортировать их до электродов в батарее, где они встречаются с литием и вступают с ним в реакцию. В результате вырабатывается энергия.

Так, группа химиков из Индийского института науки в Бангалоре (это один из ведущих научных центров в стране) установила, что добавление гемоглобина в состав литий-воздушного аккумулятора улучшает реакцию между кислородом и литием. В результате батарея работала без потери эффективности в течение большего числа циклов зарядки-разрядки. Авторы эксперимента в шутку даже назвали ее «дышащей батареей».

Исследователи из Йельского университета, в свою очередь, выяснили, что все не так просто, и реакция с участием гемоглобина, кислорода и лития многоступенчатая. Не вдаваясь в детали, лишь отметим: согласно их выводам гемоглобин оказывается чувствителен к составу батареи, то есть следующий шаг – найти способ, чтобы молекулы гемоглобина не разрушались при зарядке-разрядке.

Так что ученые предложили еще и способ полезного применения по сути мусора. Исследователи экспериментировали с разной концентрацией гемоглобина в литий-воздушном аккумуляторе, чтобы найти оптимальную для улучшения работы батареи.

Если ученым удастся решить все эти вопросы, то литий-воздушные аккумуляторы станут уже не отдаленным будущим, а технологией завтрашнего дня. Тогда можно будет смотреть на ноутбуке пару-тройку сезонов «Игры престолов» или отправиться в путешествие по Золотому кольцу на электромобиле – без подзарядки!