Virusmonterade batterier

Mer än hälften av vikten och storleken på dagens batterier kommer från stödmaterial som inte bidrar med någonting till att lagra energi. Nu har forskare visat att genetiskt modifierade virus kan sätta ihop aktiva batterimaterial till en kompakt, regelbunden struktur för att göra en ultratunn, transparent batterielektrod som lagrar nästan tre gånger så mycket energi som de i dagens litiumjonbatterier. Det är det första steget mot självmonterande batterier med hög kapacitet.

Tillämpningar kan omfatta högenergibatterier osynligt laminerade på platta skärmar i mobiltelefoner och bärbara datorer eller anpassade för att passa hörapparater. Samma monteringsteknik skulle också kunna leda till effektivare katalysatorer och solpaneler, enligt MIT-forskarna som utvecklade tekniken, genom att göra det möjligt att finkontrollera positionerna för oorganiska material.

Det mesta av det gjordes genom genetisk manipulation – att ge en organism som normalt inte skulle göra batterielektroder informationen att göra en batterielektrod och att sätta ihop den till en enhet, säger Angela Belcher, en forskare på projektet och en MIT-professor i materialvetenskap och ingenjörskonst och biologisk teknik. Min dröm är att ha en DNA-sekvens som kodar för syntesen av material, och sedan ut ur en bägare för att dra ut en enhet. Och jag tror att det här är ett stort steg på den vägen.

Forskarna i arbete rapporterade online denna vecka i Vetenskap , använde M13-virus för att göra den positiva elektroden på ett litiumjonbatteri, som de testade med en konventionell negativ elektrod. Viruset är tillverkat av proteiner, varav de flesta rullar ihop sig för att bilda en lång, tunn cylinder. Genom att lägga till sekvenser av nukleotider till virusets DNA, ledde forskarna till att dessa proteiner bildades med en ytterligare aminosyra som binder till koboltjoner. Virusen med dessa nya proteiner belägger sig sedan med koboltjoner i en lösning, vilket till slut leder, efter reaktioner med vatten, till koboltoxid, ett avancerat batterimaterial med mycket högre lagringskapacitet än de kolbaserade materialen som nu används i litiumjon batterier.

För att göra en elektrod doppar forskarna först en polymerelektrolyt i en lösning av konstruerade virus. Virusen samlas till en enhetlig beläggning på elektrolyten. Denna belagda elektrolyt doppas sedan i en lösning som innehåller batterimaterial. Virusen ordnar dessa material i en ordnad kristallstruktur som är bra för högdensitetsbatterier.

[ Klicka här för en illustration av batteriformningsprocessen.]

Dessa elektroder visade sig ha dubbelt så stor kapacitet som kolbaserade. För att förbättra detta ytterligare vände sig forskarna åter till genteknik. Samtidigt som de behöll den genetiska koden för koboltaggregatet lade de till ytterligare en DNA-sträng som producerar virusproteiner som binder till guld. Virusen samlades sedan som nanotrådar bestående av både koboltoxid och guldpartiklar – och de resulterande elektroderna lagrade 30 procent mer energi.

Att använda virus för att sätta ihop oorganiska material har flera fördelar, säger Daniel Morse, professor i molekylär genetik och biokemi vid University of California, Santa Barbara. För det första är placeringen av proteinerna, och kobolt och guld som binder till dem, exakt. Viruset kan också föröka sig snabbt, vilket ger massor av utgångsmaterial, vilket tyder på att detta är en tillverkningsteknik som snabbt kan skalas upp. Och denna monteringsmetod kräver inte de kostsamma processer som nu används för att tillverka batterimaterial.

Du kan göra det här på industriell nivå riktigt snabbt, säger Brent Iverson, professor i organisk kemi och biokemi vid University of Texas i Austin. Jag kan inte föreställa mig ett sätt att malla eller bygga nanopartiklar billigare.

Ändå säger-Ming Chiang, materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid MIT och en av Belchers samarbetspartners, att även om små batterier designade för specifika applikationer skulle kunna tillverkas med denna process inom ett par år, återstår mycket arbete att göra. Till exempel kanske koboltoxid inte är det bästa materialet, så forskarna kommer att konstruera virus för att binda till andra material.

Ett av sätten de har gjort detta tidigare är att använda en process som kallas riktad evolution. De kombinerar samlingar av virus med miljontals slumpmässiga variationer i en flaska som innehåller en bit av materialet de vill att viruset ska binda till. Vissa av virusen råkar ha proteiner som binder till materialet. Att isolera dessa virus är en enkel process för att tvätta bort materialet - bara de virus som är bundna till materialet finns kvar. Dessa kan sedan tillåtas föröka sig. Efter några omgångar av bindning och tvättning återstår bara virus med högsta affinitet för materialet.

Forskarna vill också göra virus som sätter ihop den negativa elektroden också. De skulle sedan odla de positiva och negativa elektroderna på motsatta sidor av en självmonterande polymerelektrolyt utvecklad av Paula Hammond*, en annan stor bidragsgivare till projektet. Detta skulle skapa självmonterade batterier, inte bara elektroder. Ett annat mål är att göra interdigiterade batterier där negativa och positiva elektrodmaterial alternerar, som pinnarna på två kammar som trycks ihop – detta kan packa in mer energi och leda till batterier som levererar den energin i kraftigare skurar.

Och batterier kan bara vara början. Eftersom virusen har olika proteiner på olika ställen – ett protein i mitten och andra i ändarna – kan forskarna skapa virus som binder till ett material i mitten och olika material i ändarna. Redan har Belchers grupp producerat virus som täcker sig själva med halvledare och sedan fäster sig i ändarna på guldelektroder, vilket kan leda till fungerande transistorer.

Om du kan göra batterier som verkligen är effektiva på det här sättet är det bara häpnadsväckande vad applikationerna kan vara, säger Iverson.

* Korrektion : Virus-batteriarbetet var resultatet av ett samarbete mellan forskare vid MIT. Den ursprungliga artikeln nämner Angela Belcher och Yet-Ming Chiang. En viktig del av detta arbete var utvecklingen av en självmonterande polymerelektrolyt av Paula Hammond, professor i kemiteknik vid MIT.

Bild på hemsidan med tillstånd av Angela Belcher, MIT.

Dölj