Цивилизация
Усовершенствование работы аккумуляторов (попросту говоря, батареек) — насущная проблема будущего десятилетия. Использование электрических устройств (в частности, автомобилей с электрическим или гибридным мотором) позволяет сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду и потенциально использовать возобновляемые источники энергии (из которых можно вырабатывать электричество) вместо ископаемого природного топлива. Однако аккумуляторы отличаются и по емкости, и по сроку службы, и по ряду других параметров. Так, литий-ионные аккумуляторы, используемые в подавляющем большинстве портативных электронных устройств, значительно эффективнее более традиционных никель-металлгидридных аккумуляторов, но для питания электрокаров их использовать нельзя: даже в идеальном варианте их емкость не превышает двух тысяч киловатт-часов, а этого недостаточно для работы автомобиля. Таким образом, поиск новых аккумуляторных устройств, которые позволят приблизить «эру электрокаров» активно ведется и автопроизводителями, и учеными.
Так, специалисты из Китая разработали электрод на основе костной ткани свиней для литиево-серных батарей.
Кости домашних животных выступают в них в качестве недорогого и возобновляемого источника углерода. Работу физиков публикует Energy & Environmental Science.
Литиево-серные аккумуляторы обладают значительной емкостью и потенциально небольшой стоимостью, что делает их весьма перспективными для использования в электрокарах (о работах в этом направлении сообщала японская компания Toyota). Однако возможность их практического использования ставится под сомнение рядом специалистов: срок их службы очень невелик из-за потери реакционноспособной серы в ходе электрохимических процессов при зарядке-разрядке. «Спасти» серу могли бы материалы из высокопористого углерода, способного связать серу в порах и предотвратить ее излишний расход, однако их создание — многостадийный процесс, внесение которого в цепочку производства аккумуляторов лишит их другого важного достоинства — дешевизны.
Яцин Хуан и его коллеги из Пекинского университета химической технологии обнаружили природный источник недорогого пористого углерода.
Источником «наноматериала» оказались кости свиней.
Чтобы получить нужные для аккумуляторов структуры, кости всего лишь следует перемолоть в порошок и нагреть до 450 градусов (при этой температуре органические вещества обугливаются, обретая нужную трехмерную пористую структуру). Аналогичным образом уже предлагалось создавать контейнеры для водородного топлива из куриного пера. Костная ткань свиней состоит из органической ткани (в основном, коллагена) и неорганического материала - солей кальция, диспергированного в коллагене. Неорганические компоненты устойчивы при нагревании и представляют собой естественную матрицу для формирования пористого углерода при обжиге. Использование еще одного недорогого реагента — гидроксида калия — перед обжигом позволило увеличить удельную поверхность пор.
<3>Физики проанализировали работу литиево-серных аккумуляторов, снабженных катодом из пористого углерода, полученного при разных температурах обжига. Оказалось, что материал, обработанный при температуре 850 градусов, характеризуется максимальной площадью поверхности, максимальным объемом пор и самой лучшей электропроводностью, а также способен сохранять структуру при повышении температуры до 950 градусов. Кроме того, аккумуляторы с пористыми электродами выдерживали большее число циклов, чем при использовании плотных материалов.
«Разработка аккумуляторов многоразового использования из возобновляемого сырья чрезвычайно важна для создания экологически чистых и эффективных устройств хранения энергии»,
— подытожил Хуан.
Однако у технологии есть и слабые места, указывают эксперты.
«Температура активации углерода в этом процессе очень велика, поэтому для создания действительно высокоэффективного промышленного процесса лучше разработать метод получения высокопористого углеродного материала в условиях, более близких к стандартным. Однако пористый углерод из костной ткани свиней, несомненно, имеет большой потенциал для разработки современных материалов, необходимых для катодов в аккумуляторах нового поколения», — считает Лила Мохана Редди, эксперт по литиевым аккумуляторам из Университета Райс в Техасе, слова которой приводит сайт Королевского химического общества.