Biologie Inspiriert Idee Zur Verbesserung Von Lithium-Ionen-Batterien
Biologie Inspiriert Idee Zur Verbesserung Von Lithium-Ionen-Batterien

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Video: Die Li-ionen-Batterie. Wie funktioniert sie? 2022, Dezember
Anonim

Das Ausleihen der Methode, mit der Organismen mineralisierte Gewebe aufbauen, könnte zu leistungsfähigeren Lithium-Ionen-Batterien führen.

Zähne und Knochen, Schneckenhäuser und Vogeleier werden durch einen Prozess gebildet, der als Biomineralisierung bezeichnet wird. Diese Methode, Mineralien wie Kalzium oder Kieselsäure in hartes Gewebe einzubauen, ist in allen Lebensbereichen verbreitet und in der Natur eindeutig sehr nützlich. Das Konzept ist so leistungsfähig, dass Forscher derzeit daran arbeiten, es auf die eher unnatürliche Umgebung in Lithium-Ionen-Batterien anzuwenden.

Organismen bauen mineralisierte Gewebe wie Muscheln und Knochen mit Hilfe von Proteinen oder Peptiden auf, die organische Moleküle sind, die von den Zellen aller Lebewesen gebildet werden. Die spezialisierten Peptide, die an der Bildung von Schneckenhäusern und anderen mineralisierten Geweben beteiligt sind, können sich an die besonderen anorganischen Moleküle binden, die zur Erzeugung dieses Gewebes und zur Festlegung dieser Gewebe erforderlich sind. Eine Schnecke kann beispielsweise ihre Schale nicht direkt aus Kalzium aufbauen, sondern ein schalenförmiges Gerüst aus Kalzium-bindenden Peptiden. Auf diese Weise helfen Peptide, die sehr fein strukturierten Materialien zu bilden, aus denen Schalen, Knochen und andere Teile von Organismen bestehen.

In ähnlicher Weise können spezialisierte Peptide verwendet werden, um sehr feine Strukturen mit hergestellten Materialien zu erzeugen, ein Verfahren, das Potenzial zur Verbesserung von Lithiumionenbatterien hat, so Evgenia Barannikova, eine Doktorandin an der Universität von Maryland, Baltimore County. Auf der Jahrestagung der Biophysical Society stellte sie heute die Forschung ihres Teams zu bioinspirierten Lithium-Ionen-Batterien vor.

Batterien bestehen im Allgemeinen aus drei Hauptteilen: zwei Elektroden mit entgegengesetzten Ladungen und einem Elektrolyten, der zwischen den beiden sitzt. Eine der Elektroden wird als Kathode bezeichnet und besteht aus zwei Arten von Material, das nahe beieinander gehalten werden muss, damit Elektronen effizient zwischen ihnen fließen können. Eines der Materialien muss eine hohe Elektroaktivität aufweisen, eine Eigenschaft, die es den Lithiumionen im Elektrolyten ermöglicht, sich schnell in seine chemische Struktur einzufügen und sich von dieser zu entfernen. Diese Übertragung von Lithium treibt den Elektronenfluss von der Elektrode zum externen Stromkreis an. Um diesen Prozess effizient durchzuführen, muss das Material in der Kathode ebenfalls leitfähig sein, aber elektroaktive Materialien weisen eine an sich niedrige Leitfähigkeit auf. Infolgedessen verbessert die Kombination von elektroaktiven und leitfähigen Materialien die Leistung der Batterie.

Mit einer Technik, die es ermöglicht, Milliarden von Peptiden zu screenen, isolierten die Forscher eines, das stark an Lithiummagnesiumnickeloxid, ein hochelektroaktives Material, bindet. Für die leitende Komponente verwendeten die Forscher ein zuvor identifiziertes Peptid, das Kohlenstoffnanoröhren, ein hochleitfähiges Material, bindet. Durch die Verbindung der beiden spezialisierten Peptide ist es möglich, eine „Nanobrücke“zwischen den beiden Komponenten der Kathode zu bilden, wodurch die Materialstruktur im Nanomaßstab erhalten wird. Dies hilft, „eine Disaggregation von elektroaktivem und leitfähigem Material zu verhindern, was derzeit zu einem Verlust der Leitfähigkeit und einer geringen Leistung einiger Batterien führt“, sagt Barannikova.

Die Verbesserung der Leistung von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien hat an Bedeutung gewonnen, da die Forscher versuchen, die Stromquellen für Elektrofahrzeuge zu verbessern. Bisherige Tests der neuen Kathode legen nahe, dass das nanostrukturierte Material eine bessere Leistung als aktuelle Modelle für Lithium-Ionen-Batterien aufweist. Barannikova und ihr Team arbeiten jedoch noch daran, mit diesen Techniken eine komplette Batterie herzustellen.

Laut Barannikova kann die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien aus nanoskalig strukturierten Materialien Vorteile bringen, die über eine bessere Leistung hinausgehen. "Ein weiteres Ziel ist es zu sehen, ob die identifizierten Peptide uns helfen, diese Materialien unter umweltfreundlichen Bedingungen zu synthetisieren", sagt sie. Organismen sind in der Lage, komplexe Materialien unter Verwendung von Peptiden ohne industrielle Additive zusammenzusetzen, die die Umwelt schädigen können. Daher kann es möglich sein, die Notwendigkeit der derzeit im Kathodenherstellungsprozess verwendeten aggressiven Lösungsmittel und hohen Temperaturen zu vermeiden, indem man dem Beispiel der Natur folgt.

"Die Biologie hat so viele Beispiele geliefert", sagt Barannikova. "Die Lösungen sind da - wir müssen uns nur umschauen."

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