Исследователи создали высокопроизводительную батарею из отходов металлов и мыла

Возьмите старые металлические отходы, положите их в стеклянную банку с мыльным раствором и получите высокоэффективный аккумулятор. Такой философии придерживаются исследователи из Университета Вандербильта – создатели достаточно мощного функционирующего аккумулятора из отходов меди и стали.

«Представьте себе, что тонны металлических отходов, которых с каждым годом становится все больше, могли бы использоваться для питания возобновляемых источников энергии будущего, вместо того, чтобы стать бременем для окружающей среды и перерабатывающих предприятий» – говорит Кэри Пинт, доцент кафедры машиностроения в Университете Вандербильта.

Пинт возглавил исследовательскую группу, которая использовала обломки стали и меди – два наиболее часто выбрасываемых материала – для создания первого в мире аккумулятора из этих металлов. Такая батарея может накапливать энергию не хуже привычных свинцово-кислотных аккумуляторов. По скорости зарядки новая разработка может сравниться с ультра-быстрыми суперконденсаторами.

Исследовательская группа, состоящая из выпускников и студентов междисциплинарных программ Вандербильта и факультета машиностроения, описала свое достижение в журнале ACS Energy Letters. В своей работе ученые продемонстрировали всю многогранность своей техники, которая позволяет обрабатывать стальные и медные материалы различных форм, размеров и чистоты для производства функциональных компонентов батареи.

В получившемся аккумуляторе напряжение ячейки составляет 1,8В, плотность энергии достигает 20Вт*ч/кг, а плотность мощности до 20кВт/кг. Аккумулятор выдержал 5000 последовательных циклов зарядки, что эквивалентно 13 годам ежедневной зарядки и разрядки. В результате эксперимента он сохранил чуть более 90% своей мощности.

Ответ к загадке такой производительности кроется в анодировании – широко распространенной процедуре наращивания оксидной пленки при помощи анодного окисления. Чаще всего ее используют для придания прочности и декоративной отделки алюминия, но процедуру анодирования можно провести с практически любым металлом. Это можно сделать даже в домашних условиях, хотя и не рекомендуется.

На первом этапе проводятся подготовительные работы: поверхность металла полируется и шлифуется. Затем производится обезжиривание, чаще всего с помощью органических растворителей вроде бензина, спирта или ацетона, и обработка щелочью (обыкновенным мыльным раствором). Следующий этап – декапирование поверхности концентрированным раствором серной кислоты и хромпика. Это делается для того, чтобы удалить окислы, препятствующие нанесению нового покрытия. Далее, собственно, анодирование – окисление металла в электролитном растворе под воздействием постоянного тока. В качестве вещества, проводящего ток, также подойдет раствор серной кислоты, но уже менее концентрированный. Вряд ли вы найдете его у себя дома, поэтому можно заменить раствором пищевой соли и соды.

Чтобы преобразовать медь и сталь в функциональные электроды для перезаряжающегося аккумулирования энергии, достаточно комнатной температуры. Под ее воздействием эти многокомпонентные сплавы преобразуются в оксид железа, активный в окислительно-восстановительных реакциях, и оксид меди. Когда отходы стали и меди анодировали с использованием раствора из стирального порошка и электрического тока, исследователи обнаружили, что металлические поверхности перестраиваются в нанометровые сети оксида металла, которые могут хранить и высвобождать энергию при взаимодействии с основанным на водном растворе электролитов.

Группа пришла к выводу, что эти области с нанометровыми сетями объясняют столь быстрый процесс заряда и исключительную стабильность батареи. В создании аккумуляторов из меди и стали использовали невоспламеняющиеся водные растворы электролитов, которые содержат гидроксид калия – недорогую соль, которую используют в производстве стирального порошка.

Пинт отмечает, что когда твоя главная цель заключается в том, чтобы производить материалы для батарей из подручных средств так дешево, чтобы крупномасштабные производственные мощности не имели никакого смысла, ты должен подойти к этому как-то иначе, чем проводить эксперименты в исследовательской лаборатории.

«Мы видим, что современное общество постепенно движется к «культуре созидания», где крупномасштабное производство новой продукции постепенно масштабируется до отдельных лиц или общин. До сих пор батареи оставались вне этой культуры, но я считаю, что настанет день, когда жители будут отключаться от сети и будут производить свои собственные батареи. Это уровень, с которого началась технология батареи, и я думаю, что мы сможем к ней вернуться» – говорит Пинт.

Команда ученых из Университета Вандербильта черпала вдохновение из багдадской батарейки – простого устройства, придуманного за 2000 лет до рождения Алессандро Вольта. Она состояла из глиняного горшка, медного листа и железного прута, которые были найдены вместе со следами электролита. Предполагается, что такая батарейка, заполненная щёлочью или кислотой, могла создать напряжение в 1В. Ученые на протяжении последнего столетия экспериментировали с этим гальваническим элементом, пытаясь сделать точную копию багдадской батарейки и воспроизвести реакцию. Опыты, вошедшие в историю, были исключительно удачными. Однако, некоторые скептически настроенные ученые считают, что тот факт, что сей артефакт может генерировать энергию, вовсе не означает, что он использовался именно для этого. И хотя интерпретация этого артефакта до сих пор вызывает споры, его простая конструкция стала примером для создания новой разработки. В дальнейшем ученые планируют сконструировать полномасштабный прототип батареи, пригодный для использования в энергоэффективных умных домах.

«С этим проектом мы открываем новые горизонты, где положительный результат – не коммерциализация, а ясный набор инструкций, который можно адресовать широкой публике. Это абсолютное переосмысление возможностей аккумуляторов, которое поможет обойти барьеры, сдерживающие инновации в аккумулировании и сохранении энергии» – уверяет Пинт.