Je libo sladkou baterii?

Při slově „sladký“ nebo „cukr“ se jistě mnohým z nás vybaví vzpomínky na oslavu svých narozenin nebo Vánoce a sladké pamlsky, které se při těchto příležitostech s oblibou ve větším množství konzumují. Cukr v nás obecně vyvolává příjemné pocity, jelikož je to pro nás ten nejlepší zdroj energie a naše buňky ho prostě milují. Možná právě při podobné oslavě napadlo vědce z Virginia Tech College, že by z těchto sladkých pamlsků šla udělat funkční baterie. Nyní několik let usilovné práce a testování konečně přináší kýžené ovoce v podobě první funkční velkokapacitní „sladké baterie“. Pro konstrukci využili biokatalyzátory v podobě enzymů, které efektivně rozkládají cukr obsažený v baterii. Nápad to není úplně nový, předchozí pokusy s podobným systémem většinou ztroskotaly na nízké efektivitě a malé kapacitě baterií. 

Tým Y. H. Percivala Zhanga z Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences vyvinul svou vlastní "sladkou baterii", která má dostatečnou hustotu a kapacitu pro uchování el. energie. Baterie je plněná 15% (w/v) roztokem maltodextrinu a dosahuje kapacity 596 Ah.kg^-1, což je 10x více než klasické Li-Ion baterie. Tento vývojový pokrok by mohl směřovat k nahrazení konvenčních baterií bateriemi, které jsou levnější, dají se opakovaně plnit a jsou biologicky rozložitelné. Výsledky nové studie byly publikovány v lednovém čísle časopisu Nature Communications.

Jako všechny palivové články, i „sladké baterie“ potřebují palivo, které je v tomto příp

adě nahrazeno maltodextrinem, polysacharidem vyráběným částečnou hydrolýzou škrobu. Ten je za přítomnosti vzduchu a pomoci důmyslné kaskády enzymů přeměněn na elektrickou energii a vodu.

Pokusy sestrojit podobnou baterii se sladkou náplní s enzymy se již v minulosti objevily, nyní však tým Dr. Zhanga dokázal sestrojit baterii s dostatečnou hustotou el. energie. Nová baterie navíc využívá volné enzymy, které jsou nakombinovány tak, aby vytvořily umělou metabolickou dráhu, při které dochází k rozkladu maltodextrozy a uvolnění elektronů. Nová baterie již nyní vykazuje úctyhodných 0.8mWcm^-2 a maximální proudovou hustotu 6mA.cm^-2, což několikanásobně převyšuje baterie založené na imobilizovaných enzymech. Současná verze „sladké baterie“ využívá 13 enzymů, které jsou schopny uvolnit až 24 elektronů na jednotku glukózy použitého maltodextrinu. Baterie také vydrží mnohonásobně déle a není ji potřeba tak často doplňovat jak tomu bylo u předchozích prototypů.

„Náš výzkum je již v takové fázi, že bychom během 3 let byli schopni vyrábět naše „sladké baterie“ sériově např. pro mobilní telefony, tablety, notebooky a další elektroniku. Svět stále více hladoví po levné a zelené elektrické eNáš výzkum je již v takové fázi, že bychom během 3 let byli schopni vyrábět naše „sladké baterie“ sériově např. pronergii. V přírodě jsou cukry skvělí v uchovávání energie, tak proč nevyužít této jejich schopnosti k vytvoření baterie“, říká Dr. Zhang.

Unikátnost nové „sladké baterie“ Dr. Zhanga spočívá právě v jedinečné kombinaci neimobilizovaných enzymů, pomocí nichž vytvořil takovou enzymatickou dráhu, ze které je možno získat elektrickou energii. Další výhodou oproti konvenčním bateriím je využití levných biokatalyzátorů namísto výrazně dražších platinových.

„Pomocí naší kaskády enzymů jsme schopni pozvolna uvolňovat elektrony z molekul maltodextrinu, čímž dosáhneme delší životnosti baterie. Na rozdíl např. od vodíkových nebo přímých metanolových palivových článků nehrozí u našich baterií samovolné vznícení, mají vyšší hustotu uchované energie, jsou biodegradovatelné a dokonce je lze znovu naplit, podobně jako naplňujeme došlý inkoust v prázdných tonerech tiskáren", dodává Dr. Zhang.

Staré použité klasické baterie představují nemalou zátěž pro životní prostředí a jejich likvidace či recyklace bývá nákladná. Podle údajů EPA (Environmental Protection Agency) se jen v Americe ročně vyhodí miliardy použitých baterií, které představují enormní zátěž pro životní prostředí a lidské zdraví. Vývoj nových baterií Dr. Zhanga by pomohl výrazně snížit statisíce tun baterií, které končí na skládkách.

Toto je však pouze jeden z úspěchů týmu Dr. Zhanga, kdy podobně využil sérii chytře poskládaných enzymů. Tým v minulém roce např. publikoval článek popisující, jak vytvořit jedlý škrob z rostlin, které se standardně nevyužívají jako potraviny. V jiném článku popisuje šetrný a ekonomický způsob jak extrahovat vodík a využít ho jako alternativní palivo automobilů.

Představa budoucnosti, kdy jdete do cukrárny, koupíte si váš oblíbený zákusek a zároveň vám příjemná obsluha dobije vaši baterii je docela příjemná.

Autor: Ing. Jiří Barta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Zhiguang Zhu, Tsz Kin Tam, Fangfang Sun, Chun You, Y. -H. Percival Zhang. A high-energy-density sugar biobattery based on a synthetic enzymatic pathway. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4026