Древний краситель вдохнёт жизнь в новые «зелёные» литиевые батареи. Химия.

Химики из Городского колледжа Нью-Йорка в содружестве с коллегами из Университета Райса и Военной исследовательской лаборатории (все — США) разработали нетоксичные литий-ионные батареи 

на основе возобновляемого природного соединения пурпурина (1,2,4-тригидроксиантрацен-9,10-дион) — красителя, экстрагируемого из корней марены красильной, специально культивируемого многолетнего растения.

Более 3,5 тыс. лет назад древние цивилизации Азии и Среднего Востока впервые приготовили отвар корней марены для окрашивания тканей в яркие оранжевые, красные и розовые цвета. Кто бы мог подумать, что спустя столько времени тот же корень станет основной составляющей экологически чистой технологии производства источников электропитания! Детали последней подробно описаны в статье, опубликованной в журнале Nature: Scientific Reports.

Кто бы мог подумать, что корень культивируемого с древних времён растения ляжет в основу экологически чистой технологии производства источников электропитания в XXI веке. (Иллюстрация George John / The City College of New York.)

Самой распространённой электрохимической схемой литий-ионных аккумуляторов считается литий-кобальтовая: LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + ne-. Вы, наверное, удивитесь, но сегодня 30% всего мирового производства кобальта идёт на откуп батарейных технологий! Соли лития и кобальта смешиваются при высоких температурах, образуя батарейный катод.

Добыча и переработка кобальтовой руды — довольно дорогой процесс, а переработка отработавших свой срок батарей снова требует высоких температур (и больших энергетических затрат). Изготовление и утилизация литий-ионных аккумуляторов приводят к выбросу 72 кг диоксида углерода на каждый киловатт-час энергии, обеспечиваемой произведёнными батареями. В 2010 году в переработку угодило 10 млрд отработанных устройств. А сколько их просто выброшено на свалку, можно только догадываться. Тем не менее кобальт обладает очень высокой цитотоксичностью и представляет огромную угрозу для экологии и здоровья человека (многие соли этого металла легко растворимы в воде). В общем, потребность в новых, гораздо более экологичных батарейных технологиях очевидна.

По счастью, биологические красители, такие как пурпурин и его аналоги, от природы обладают способностями электродов — благодаря их сопряжённой, богатой электронами ароматической структуре и электрон-акцепторным заместителям, с лёгкостью координирующим с ионами лития. Кроме того, выращивая марену или любую другую биомассу для создания батарей, мы снижаем содержание углекислого газа в атмосфере и попутно решаем проблему с последующей переработкой: не содержащие кобальта литий-ионные батареи могут быть попросту выброшены (если, конечно, нет желания вытащить из них не менее дорогой литий).

Пурпурин (слева), экстрагированный из корней марены (в центре), реагирует с солью лития, образуя материал для создания литиевого катода (фото Ajayan Lab / Rice University).

Электроды из пурпурина производятся при комнатной температуре за несколько простых шагов. Пурпурин растворяется в водно-спиртовом растворе, к которому затем добавляется соль лития. По завершении реакции цвет раствора меняется с красновато-жёлтого на розовый, после чего растворитель удаляется, а оставшаяся масса компонуется в электрод.

Что же касается эффективности самой батареи, то тут, конечно, есть над чем работать. Учёные проводили не более 50 циклов перезарядки, а ёмкость новой батареи падала примерно на 30%.