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软物质和液体

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病毒为电池注入新生命

26 Nov 2013
病毒电池:改进的电池可用于电动汽车

 

对锂空气电池的研究,由于病毒的感染,在不久的将来可能会为电动汽车和其他电子设备供电。美国麻省理工学院(MIT)的科学家表明,使用转基因病毒可大大增加用作电池中电极的纳米线的表面积’阴极,从而改善电池’的电荷存储容量。

典型的电池由阴极,阳极(通常由锂制成),离子导体(或“electrolyte”),使带电离子容易流过,并通过隔板将两端分开。当带正电的锂离子在电池放电期间从阳极移动到阴极时,会产生电流。当电池充电时,外部电流使离子向相反方向流动,这导致离子存储在阳极上。

更好的电池?

近年来,另一种称为锂空气电池的电池已显示出希望,而这些电池的发展可能导致电动汽车在充电之间的行驶时间更长。此类电池使用轻质材料在阳极氧化锂“air cathode”替代了如今使用的重得多的金属氧化物阴极。尽管电池前景广阔,但目前传统的电化学电容器的性能要好得多–锂空气电池只能在开始失去充电容量之前进行有限次数的充电和放电。电池’电极还需要用更耐用,更持久的材料制成。

现在, 大贤,麻省理工学院的一名研究生及其同事发现,增加用作电极的电线的表面积-从而增加在电池充电或放电期间发生电化学活性的面积-可以解决上述一些问题。研究人员还发现,他们可以使用称为M13的棒状病毒来生长电极材料-氧化锰线“favourite material”用于锂空气电池的阴极。该病毒能够从水中捕获金属分子并将其结合成各种结构形状。科学家创造了一系列纳米线,每个纳米线的跨度约为80 nm“包裹有极少量的贵金属纳米粒子,例如钯或金”, says Oh.

根据研究人员的研究,他们的病毒制作的纳米线在锂空气电池中表现出更好的性能,因为与使用传统化学方法制造的电线不同,这种由病毒构建的结构具有粗糙而尖锐的表面,极大地增加了其表面积。此外,病毒产生的是交联导线的3D结构,而不是孤立的导线,从而使电极具有更大的稳定性。 安吉拉·贝尔彻(Angela Belcher)是MIT小组的首席研究员,他将病毒比喻为’成长为壳中生长的鲍鱼海蜗牛-它从海水中收集钙并将其沉积成坚固的,相连的结构。

尽管该研究仍处于早期阶段,并且此类生物电池尚未商业化,但该小组确实有一个功能原型,该原型已通过50次充放电循环进行了测试。科学家们还使用生物方法来形成功能材料“用于太阳能电池,水分解和癌症成像”, according to Oh.

环保的

用病毒制造纳米线比大多数传统方法更简单-可以在室温下使用水基工艺进行制造,而不是在高温下处理有害化学物质。科学家称,这种生物电池的制造过程不使用任何有毒或有害的材料,从而使电池对环境无害。传统电池包含重金属,例如铅,汞和镉。如果处理不当,它们将最终进入垃圾填埋场,其有毒物质会进入生态系统。

营救生物学

多年来,许多团队成员一直致力于将病毒用于生物电池。在 2006,研究人员操纵了病毒内部的基因,形成了一根纳米线阳极,该阳极的宽度相当于人发的十分之一,用于锂离子电池。 2009 他们还利用病毒在同一锂离子电池的正极上制造了阴极。

但是他们并不是对生物电池的唯一研究。电子巨头 了索尼 在过去的十年中,一直在研究基于质子-电子相关反应并直接将葡萄糖用作电极的电池。此外,以色列的一家初创公司名为 商店点 声称是“大约五年后”从制造第一批商业用生物电池开始。它的产品基于一类新的量子点-所谓的生物起源纳米点-可以作为生物半导体工作并能够存储电荷,并可以用于制造快速充电的高容量电池。

使用病毒作为锂-空气和锂离子电池的合成介质是“开箱即用的思维” says 揭晓 没有参与这项研究的太平洋西北国家实验室。她说,尽管锂空气电池概念进入市场尚为时过早,但这项研究可能“通过采用可加速锂空气电池技术发展的替代方法,激励其他团体朝这个方向努力”.

观看下面由MIT提供的视频,该视频说明了电池导线的生长方式。

该研究发表在 自然通讯.

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