Крабовое мясо восхитительно — это прекрасный ингредиент для множества блюд. Видимо крабы нравятся многим людям, ведь каждый год во всем мире производится около шести-восьми миллионов тонн отходов панцирей крабов, креветок и омаров, причем большая часть их сбрасывается обратно в океан или на свалки (в зависимости от страны).
Проблема не столько в колоссальных отходах, сколько в упущенных возможностях. Прочные экзоскелеты крабов и их морских сородичей богаты полезными, универсальными химическими веществами, такими как карбонат кальция, который используется в медицине и промышленности, и хитин, второй по распространенности природный полимер, встречающийся на Земле.
На протяжении многих лет ученые добывали хитин из панцирей ракообразных для самых разных целей, от создания новых тканей до изготовления биоразлагаемого пластика. Поскольку он и родственный ему полимер хитозан считаются экологически чистыми и нетоксичными, существует большой интерес к включению этих химических соединений в батареи. И это не столь уж и фантастично.
В статье, опубликованной в журнале Matter, одна группа инженеров из Мэрилендского университета сделала именно это, создав впечатляющую биоразлагаемую хитин-цинковую батарею, но при этом сохраняющую значительный электрический ток. По мере того, как мир движется к более устойчивому будущему, есть надежда, что перезаряжаемая батарея из крабов может стать жизнеспособной альтернативой или даже заменой литий-ионным батареям, спрос на которые растет, в то время сам литий становится дефицитным ресурсом.
В последние годы ученые экспериментировали с хитином в поисках способов включения этого органического вещества, структурно похожего на растительную целлюлозу, в батареи. В 2016 году в Университете Британской Колумбии обнаружили, что когда вы варите хитин с азотом при температуре до 1652 градусов по Фаренгейту, он превращает бывшие панцири крабов в углеродно-азотный материал, подходящий для электродов.
Но инжинеры из Мэрилендского университета выбрали другой подход. Их внимание было сосредоточено на батареях на основе цинка, которые представляют собой обычные одноразовые, не перезаряжаемые батареи. Поскольку этот минерал более доступен по сравнению с литием (дешевле в производстве и поставке) и менее токсичен (цинковые батареи используют воду в качестве электролита), цинк вызывает большой интерес.
Однако замена лития цинком не проходит гладко. В батареях в качестве электрода цинк имеет раздражающую тенденцию образовывать неровности на своей поверхности. Эти неровности формируются по мере того, как электроны проходят через них и превращаются в маленькие выпуклости, которые снежным комом превращаются во все более и более крупные, называемые дендритами, которые нарушают электрический ток батареи.
Поскольку хитозан, химически обработанное производное хитина, хорошо взаимодействует с водой и способен удерживать ее от плавания, ученые полагали что они могут использовать его для изготовления сепаратора батареи — полупроницаемой мембраны, удерживающей разнесенные противоположно заряженные электроды.
Исследователи взяли пленку хитозана размером с монету и погрузили ее в раствор, наполненный цинком, чтобы минерал прилипал к пленке. Далее отжимали хитозан-цинковую пленку и плотно сжимали, чтобы плотно упаковать. В отличие от предыдущих попыток уплотнить хитозановые пленки, этот метод позволил получить сравнительно большие поры (размером до пяти микрометров), обеспечивающие свободное перемещение ионов.
Чтобы завершить сборку, цинковый анод был помещен поверх сепаратора хитозан-цинк вместе с катодом, сделанным из органического соединения, называемого поли (бензохинонилсульфид) или PBQS. Когда ученые запустили свою батарею в лаборатории, они не увидели образования дендритов на цинковом аноде. Впечатляет то, что он генерировал электрический ток силой 50 миллиампер на квадратный сантиметр в течение 400 часов (или 1000 циклов зарядки), что близко к тому, на что способны маленькие литиевые батареи.
Хотя в ближайшее время вы не увидите аккумуляторы из панциря краба, исследователи надеются, что их аккумуляторы могут стать обычным явлением, использоваться в электронных устройствах, таких как ваш смартфон или умные часы.