Pomohou nám viry vylepšit lithio-vzduchové baterie?

Pokud by se někdo rozhodl znázornit nejtíživější strasti a tužby moderního věku nějakým symbolem, možná by nebylo špatné nakreslit rozpačitě se tvářící elektrickou baterii. Všichni je velice potřebujeme, neustále a v ohromném množství, ale ony jsou technologicky stále zoufale pozadu za našimi neskromnými požadavky. Na vývoji nových a lepších baterií pracuje řada výzkumných týmů, ale jde to ztuha.

Slibnou variantou elektrických baterií jsou baterie lithio-vzduchové. Jejich výzkum jede v posledních letech na plné obrátky, s vidinou dramatického nárůstu množství získané elektřiny na hmotnost baterie. Pokud by se to povedlo, tak bychom například mohli mít elektromobily, které na jedno zastrčení do zásuvky dojedou výrazně dál, nežli dnes. Jenže, jak již bylo řečeno, není to vůbec jednoduché. Vývoj takových baterií zahrnuje překonání celé řady technologických výzev, například nutnosti vyvinout vhodnější a hlavně trvanlivější materiály pro elektrody takových baterií anebo zvýšení počtu cyklů nabití a vybití, které může baterie vydržet.

Možných cest je vícero. Angela Belcher a její tým z MIT vzali do svých služeb geneticky vylepšené vláknité bakteriofágy M13 s jednořetězcovou DNA, jejichž hostitelem je E. coli. Tyhle bakteriofágy dovedou vyrábět nanodrátky, které mohou fungovat jako součást katody a řešit tím některé z palčivých problémů lithium-vzduchových baterií. Klíčem k úspěchu Belcherové a spol. bylo zvětšení plochy povrchu elektrody, kde při nabíjejí či vybíjení elektrické baterie probíhá intenzivní elektrochemická aktivita. Bakteriofágy M13 jsou skvělé v tom, že z vody vychytávají molekuly obsahující kov a stavějí z nich struktury. Pro tým Belcherové dělají nanodrátky z oxidů manganu, což je perfektní materiál pro katody lithium-vzduchových baterií. Drátky od bakteriofágů mají oproti drátkům napěstovaným klasickou chemickou cestou nápadně členitý povrch plný ostnitých výběžků, což dramaticky zvětšuje jejich aktivní povrch.

Podle Belcherové je biosyntéza nanodrátků z oxidů manganu velmi podobná například tomu, jak mlžům ušním rostou schránky. Ušně vychytávají z vody uhličitan vápenatý a ukládají ho do pevné struktury schránky. Zvětšení plochy elektrod katody lithium-vzduchových baterií vylepšuje jejich cykly nabíjení a vybíjení, což je velkou výhodou, nikoliv ale jedinou. Nezanedbatelná je i lepší prostorová stabilita elektrod s virovými nanodrátky a také relativní nenáročnost jejich pěstovaní bakteriofágy v obyčejné vodě při pokojové teplotě. Chemická technologie výroby příslušných elektrod oproti tomu zahrnuje použití energeticky náročných vysokých teplot a nebezpečných chemikálií.

Vědci jsou přesvědčeni, že jejich baterie s drátky od bakteriofágů mají na to, aby v budoucnu dosáhly oproti dnešních nejlepším lithium-iontovým bateriím dvoj až trojnásobné hustoty celkového elektrického náboje, jaký jsou schopné pojmout. Výzkum se podle všeho Belcherové teprve rozbíhá a dá jim to ještě hodně práce, než dorazí k vylepšeným lithium-vzduchovým bateriím, které by byly vhodné pro průmyslovou výrobu. Zatím mají jakžtakž vyřešenou katodu a ještě jim zbývají vylepšit další klíčové komponenty, například elektrolyt. Nutné budou také rozsáhlé testy nových technologií. Katody s virovými nanodrátky zatím prověřili v 50 cyklech nabití a vybití baterie. Pro praktické použití baterií jich ale budou muset vyzkoušet tisíce.

Ani v případě úspěšného dotažené baterií s virovými nanodrátky do výroby ale není jisté, že na jejich výrobní lince budou fungovat bakteriofágy. Belcherová podotýká, že nové materiály sice mohou být vyvinuty nějakou biotechnologií, jejich průmyslová výroba pak ale může fungovat odlišně. Jí samotné se to už stalo. Na to si ale ještě v případě lithium-vzduchových baterií s vylepšenými katodami budeme muset počkat.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka PhD.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

(orig): Nature Communications 4: 2756.

(doplň.): MIT News 13. 11. 2013, Wikipedia (Lithium–air battery).