Для изготовления аккумуляторных батарей используется ценный редкоземельный металл – литий, который, по мнению некоторых специалистов, может закончиться уже к 2035 году, утверждает Estonian World, предваряя новость об открытии эстонских ученых.
Baltnews ранее писал, что 2021 год для Евросоюза стал годом наращивания собственного производства литий-ионных аккумуляторных батарей, в частности для электромобилей. Цель сложная, поскольку, пытаясь сократить зависимость от Китая в деле получения батарей, ЕС приходится тратить миллиарды евро на восстановление утерянной индустрии, без которой невозможно "озеленение" экономики.
Кроме того, "Зеленое" движение Европы препятствует своими протестами увеличению количества шахт для добычи стратегически важного сырья – редкоземельных металлов. А тем временем потребность в сырье для аккумуляторных батарей, для технологий накопления и хранения энергии, в том числе ветра и солнца, растет с каждым днем.
"Проблема мировой нехватки лития широко обсуждается. Мы не можем двигаться в направлении широкомасштабного использования возобновляемых источников энергии, например, в транспорте и в промышленности, не зная, как хранить всю эту энергию", – передает Estonian World слова старшего исследователя климатической политики из Кембриджского университета и ведущего эксперта Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата Аннелы Ангер-Краави.
Ученые в мире ищут замену литию
Пальму первенства в этих поисках в Эстонии держит Энн Луст – профессор физической химии и глава химического института Тартуского университета, с 1990-х годов тестирующий способность углерода сохранять энергию. Тогда углерод был второстепенным веществом, которое в основном использовали в качестве вспомогательного материала для источников энергии.
"Углерод стал универсальным источником энергии совершенно невероятным образом. В 90-е мы и представить себе не могли, что произойдет что-то подобное", – рассказал Луст, долгие годы ищущий широкодоступную и экологически безопасную замену литию.
А углерод – повсюду. И вполне "может сослужить куда большую службу, чем обычные карандаши (графит – это форма углерода) и алмазы (тоже углерод)". Энн Луст предполагает, что нашел идеальное решение, и находится это решение в эстонских землях.
"Эстонцы любят свои болота"
Эстонцы любят свои болота настолько, что во время карантина COVID-19 сотрудникам полиции приходилось разгонять толпы людей, гулявших по деревянным болотным тропам, пишет автор Estonian World. В Эстонии болота есть буквально повсюду, поскольку почти четверть страны покрыта водно-болотными угодьями.
Конечно, углерод может быть синтезирован из очень многих материалов – полимеров, сахара, биомассы (некоторые полученные из биомассы твердые углероды являются особенно эффективными и даже могут конкурировать с природным графитом – электродной матрицей для хранения лития). Эстонские ученые выяснили, что углерод может содержаться и в торфе – слое разложившегося растительного материала на заболоченных территориях.
Луст и его команда опубликовали в Electrochemistry Communications в 2020 году свое исследование, в котором пришли к выводу, что полученный из торфа углерод "проявляет примечательную бифункциональную активность" и что это "исключительно многообещающий кандидат" на роль материала-катализатора для преобразования химической энергии в электричество и тепло.
При этом в Эстонии ежегодно добывают около миллиона тонн молодого углеродсодержащего торфа для садоводства и отопления. Под слоем молодого торфа располагается более старый, сильно разложившийся слой торфа, который в еще большей степени подходит для производства углерода, но остается неиспользованным – подлежит утилизации.
Мощное экологичное сырье
Вот ученый Луст и его команда и хотят найти старому торфу применение и в статье, опубликованной в RSC Advances, объясняют, как это сделать.
Торф измельчают в порошок, который промывают, извлекая все минералы. Затем материал сушат и помещают в печь с температурой от 300 до 400 градусов по Цельсию. После добавления натуральных веществ, таких как оксид натрия или хлорид цинка, материал помещают в еще более горячую печь.
И в результате этого процесса получается особый углерод, который проводит электричество и накапливает электрическую энергию – ионы натрия – на отрицательном полюсе аккумулятора. При этом на положительный полюс аккумулятора наносится богатый натрием сложный оксид, а натрий извлекается из соли или из соленых вод, изобилующих на планете.
Получившийся экологичный продукт – комбинация соли и биомассы – настолько мощный, что может конкурировать на мировом рынке накопителей энергии и топлива, утверждает автор Estonian World. По словам Луста, "электроды, поглощающие натрий, извлеченный из эстонского торфа, имеют такую же энергоемкость, как и электроды в литиевых аккумуляторах".
Сырье нашли. А что дальше?
Луст и его команда (Томас Томберг, Расмус Палм, Таво Романн, Алар Янес и другие) создали в Тартуском университете суперконденсатор – несколько отличающееся от батареи устройство накопления энергии, которое заряжается очень быстро. И теперь они работают над созданием аккумуляторов. Энн Луст считает, что углеродные накопители энергии на основе торфа идеально подойдут для крупных стационарных сооружений – солнечных ферм и ветрогенераторов.
Автор Estonian World отмечает, что углеродная батарея может быть в три-пять раз дешевле литиевой.
Сообщается, что свои открытия эстонские ученые уже запатентовали – в Великобритании и США. И многие компании уже заинтересованы тем, чем занимаются ученые из химического института. Но даже небольшой завод по производству аккумуляторов потребует инвестиций в размере не менее 50 миллионов евро – а эта цифра может отпугнуть потенциальных инвесторов.
А пока команда ученых все еще находится на этапе тестирования – это длительный процесс, ведь необходимо убедиться, что аккумуляторы, например, неожиданно не взорвутся.
"Некоторые люди считают, что правильные технологии вдруг появятся и решат климатические проблемы. Пока мы не можем предложить решения глобального уровня, и давайте посмотрим правде в глаза: они не возникнут из ниоткуда", – отметила Ангер-Краави.
По ее словам, не все идеи могут выбраться из лаборатории, и большинство из них провалятся. При этом "ученые должны иметь возможность проверять свои идеи" – "им нужно позволять идти на риск".
"Неудачи следует принимать, и принимать их как необходимую часть этого процесса", – сказала Ангер-Краави.
Подача заявок на гранты Евросоюза на исследования и инновации занимает много времени, и конкуренция высока. Но миру нужны новые идеи. И автор Estonian World надеется, что идея, предложенная эстонскими учеными для решения проблемы получения столь важного в условиях "зеленого курса" сырья, получит поддержку и найдет свое применение в реальной жизни.