Energiomställning: mot ekologiska batterier baserade på proteiner?

Litiumjonbatterierna som utrustar majoriteten av våra digitala enheter, från våra smartphones till våra elbilar, står inför en dubbel fallgrop: mineralresurser som snart är slut och en problematisk miljöpåverkan, eftersom de sällan återvinns. Men amerikanska forskare kan ha hittat ett alternativ: “biologiska” batterier, som försämras på kommando.

Batterier (batterier eller batterier) är ett av de viktigaste verktygen i våra moderna liv: de tillåter oss att hantera en mängd föremål, från radioapparater till leksaker, från smartphones till anslutna klockor. Förutom konventionella torrbatterier (AA, AAA, D) används laddningsbara litiumjonbatterier (eller “Li-ion”) i de flesta av våra bärbara elektroniska enheter. Men om de senare har revolutionerat vårt dagliga liv sedan deras marknadsföring 1992, ställer de till miljöproblem som bara växer i takt med att uppkopplade objekt och elfordon utvecklas.

Som Chemical & Engineering News noterade 2019 är problemet “dessa batteriers engångstyp.” Om litiumjoner är återvinningsbara återvinns faktiskt mindre än 5 %, “av tekniska och ekonomiska skäl”. Dessutom kräver deras design massiv användning av kobolt, som är både en ändlig naturresurs och en giftig metall, som förorenar och som kräver avvisande av en stor mängd CO2 för dess utvinning. Enligt uppskattningar, om ingenting förändras, bör 15 miljoner ton litiumjonbatterier kasseras till 2030 (utan att återvinnas).

Nedbrytning snarare än (icke)återvinning

Snarare än att hoppas på ett mirakulöst språng från tillverkarna när det gäller återvinning, har forskare utvecklat ett “ekologiskt” batteri, som fungerar med proteiner istället för litium. Snarare än grafen, ett syntetiskt kristallint material som, enligt löften från vissa företag som Samsung, en dag skulle kunna förlänga batteriernas livslängd, öka deras kapacitet och accelerera deras laddningshastighet, kan framtiden alltså ligga i batterier med organiska radikala polypeptider. .

Rent konkret har forskare vid Texas A&M University designat ett metallfritt batteri sedan 2018, som använder “redoxaktiva” polypeptider (ämnen som används i proteinsyntes). Dessa polymerer gör det genom att bryta ned det möjligt att “reducera” ett annat ämne, det vill säga att göra det neutralt. När de utgör strukturen hos ett batteri som här, kan de förbli “sovande” under dess drift, men också “triggas” (tack vare elektroder) att brytas ned för återvinning.

Enligt forskare från Texas A&M University, som publicerade sin forskning i början av maj 2021 i Nature, borde nedbrytningen av detta biologiska batteri ske “på begäran”; helt enkelt genom att doppa den i en syralösning som frigör aminosyror. Dessutom skulle nedbrytningsprocessen vara ofarlig för batterierna. Vilket betyder att de bör lösas upp säkert och på ett naturligt sätt; oavsett om de slängs på deponi eller i miljön.

Hållbara batterier och cirkulär ekonomi

“Genom att gå bort från litium och arbeta med dessa polypeptider, som är komponenter i proteiner, går vi in ​​på ett område som undviker behovet av att extrahera ädla metaller, och som också öppnar upp nya möjligheter för att driva bärbara elektroniska enheter. eller implanterbara”, säger Karen Wooley, kemist och medlem av forskargruppen.

Proteinbaserade batterier har för närvarande en prestanda som motsvarar en tredjedel av den för litiumjonbatterier. “Men tack vare deras proteinliknande arkitektur kunde denna prestanda optimeras, genom att inkorporera konformationer som finns i naturliga proteiner, som redan transporterar elektroner mycket effektivt”, säger Jodie Lutkenhaus, professor i kemiteknik och i materialteknik, som deltar i forskning. Biokemister från Texas A&M University, som redan arbetar med denna optimering med hjälp av maskininlärning, säger att dessa miljövänliga batterier kan vara ett “första steg” mot långsiktigt hållbara och “bionedbrytbara” batterier. Går i riktning mot en “framtida cirkulär ekonomi”.

Ett metallfritt, giftfritt, uppladdningsbart, återvinningsbart, nedbrytbart på begäran och potentiellt mer effektivt batteri: inför en sådan konkurrent kan Li-ion mycket väl, i slutändan, se sin livslängd minskad.

Källa: Techxplore