Батарея похожа на многие коммерчески доступные литий-ионные батареи высокой энергии с одним важным отличием. В качестве катода он использует флавин из витамина B2: часть, которая накапливает электричество, которое выделяется при подключении к устройству.«Некоторое время мы искали природу, чтобы найти сложные молекулы для использования в ряде приложений бытовой электроники», — говорит Дуайт Сеферос, доцент кафедры химии Университета штата Калифорния и кафедры исследований полимерных нанотехнологий Канады.«Когда вы берете нечто сложное, созданное природой, вы в конечном итоге тратите меньше времени на создание нового материала», — говорит Сеферос.
Современные аккумуляторы состоят из трех основных частей:положительный вывод — металлическая часть, которая касается устройств, чтобы запитать их — подключена к катоду внутри корпуса батареиотрицательная клемма, подключенная к аноду внутри корпуса батареираствор электролита, в котором ионы могут перемещаться между катодным и анодным электродамиКогда аккумулятор подключен к телефону, iPod, камере или другому устройству, требующему питания, электроны текут от анода — отрицательно заряженного электрода устройства, подающего ток, — из устройства, затем в катод, и ионы мигрируют через него. раствор электролита для балансировки заряда.
При подключении к зарядному устройству этот процесс происходит в обратном порядке.
Реакция на аноде создает электроны, а реакция на катоде поглощает их при разрядке. Чистый продукт — электричество.
Батарея будет продолжать вырабатывать электричество до тех пор, пока на одном или обоих электродах не закончится вещество, необходимое для протекания реакций.Хотя детали батарей на биологическом основе создавались ранее, это первая модель, в которой для изготовления одного из электродов используются полимеры биологического происхождения — длинноцепочечные молекулы, что по существу позволяет сохранять энергию батареи в пластике, созданном с использованием витаминов. вместо более дорогих, более сложных в обработке и более вредных для окружающей среды металлов, таких как кобальт.«Получение правильного материала со временем эволюционировало и определенно потребовало некоторых тестовых реакций», — говорит соавтор статьи и докторант Тайлер Шон. «Во многих отношениях это выглядело так, как будто это могло потерпеть неудачу. Это определенно потребовало много настойчивости».
Шон, Сеферос и его коллеги наткнулись на этот материал при тестировании различных длинноцепочечных полимеров, в частности полимеров боковой группы: молекул, прикрепленных к «основной» цепи длинной молекулы.«Органическая химия похожа на Lego», — говорит он. «Вы собираете вещи в определенном порядке, но некоторые вещи, которые выглядят так, как будто они подходят друг другу на бумаге, на самом деле не подходят.
Мы попробовали несколько подходов, и пятый сработал», — говорит Сеферос.
Команда создала материал из витамина B2, который происходит из генетически модифицированных грибов, используя полусинтетический процесс для получения полимера путем связывания двух флавиновых единиц с основной цепью длинноцепочечной молекулы.Это позволяет использовать экологически чистую батарею с высокой емкостью и высоким напряжением — что становится все более важным, поскольку «Интернет вещей» продолжает связывать нас все больше и больше с помощью наших портативных устройств с батарейным питанием.«Это довольно безопасный, натуральный состав», — добавляет Сеферос. «Если бы вы захотели, вы могли бы съесть исходный материал, из которого он сделан».
Способность B2 восстанавливаться и окисляться делает его хорошо подходящим для литий-ионного аккумулятора.«B2 может принимать до двух электронов одновременно», — говорит Сеферос. «Это позволяет легко брать несколько зарядов и иметь большую емкость по сравнению со многими другими доступными молекулами».
«Это было много проб и ошибок», — говорит Шон. «Теперь мы ищем новые варианты, которые можно заряжать снова и снова».В то время как текущий прототип находится в масштабе батареи для слухового аппарата, команда надеется, что их прорыв может заложить основу для мощных, тонких, гибких и даже прозрачных безметалловых батарей, которые могут поддержать новую волну потребительской электроники.