Аккумуляторы XXI века
Литий-ионные аккумуляторы (в качестве частицы, переносящей заряд, в них использую ионы лития) были изобретены еще в 70-х годах прошлого века, но развитие технология получила только 20 лет спустя. Появились мобильные гаджеты, которые требовали автономных источников питания, а электротранспорт, работающий «на батарейках», должен был спасти человечество от глобального потепления. Именно тогда выяснилось, что первый вариант коммерческого аккумулятора, с анодом (частью с отрицательным зарядом) из графита не универсален: он не выдерживал быстрых циклов зарядки/разрядки и не годился для электротранспорта.
В последующие годы было разработано множество вариантов материалов для катода, анода и разделяющего их буфера-сепаратора. В 2019 году создатель первого коммерческого аккумулятора, японский ученый Акира Есино, и двое его коллег из США и Великобритании были удостоены Нобелевской премии за работу в этом направлении. Но универсальный аккумулятор, который выдерживал бы множество циклов зарядки, быстро перезаряжался, работал в широком диапазоне температур и обладал высокой удельной энергоемкостью, до сих пор не создан. Впрочем, возможно, он появится на свет в лаборатории химии твердого тела ИХТТМ СО РАН.
«Аккумулятор – это сложное изделие: анод, катод, сепаратор, еще и токоотводящие чести. В нашей лаборатории каждый исследователь занимается своим элементом, потом их предстоит соединить в единое целое. Я работаю над анодом», – рассказал Дмитрий Цыдыпылов, младший научный сотрудник лаборатории, чьи исследования областное правительство поощрило стипендией для молодых ученых.
На смену графитовым анодам (не выдерживающим быстрых циклов зарядки и разрядки) и литий-титановым (с невысокой емкостью) приходят ниобийсодержащие материалы.
«Ниобат титана, ниобат железа, которым я занимаюсь, это популярные кандидаты для использования в аккумуляторах электротранспорта», – перечислил Дмитрий Цыдыпылов.
Новосибирские ученые разработали механохимический твердофазный синтез ниобийсодержащего материала: вместо нескольких суток отжиг в печи теперь занимает четыре часа. Для модификации полученный материал измельчили с углеродом, получили новый перспективный материал. Наконец, допировали полученный композит ванадием и железом.
Розетка в чистом поле
«Электрохимические устройства – это и топливные элементы, где химическая энергия топливо превращается в электроэнергию, и электролизеры, где из более дешевого сырья, используя электрический ток можно получить более ценное сырье, например из водяного пара – водород», – объяснил старший научный сотрудник лаборатории химии твердого тела Евгений Тропин, описывая одну из разработок, которая уже нашла применение на практике, – микротрубчатые твердооксидные топливные элементы.
По сути, эта разработка – способ получить электричество в любых условиях, в том числе и вдали от цивилизации. Все, что вам для этого нужно, – это баллончик с газом и сам топливный элемент, представляющий из себя полую трубку. Газ внутри этой трубки контактирует с анодным слоем, далее уже знакомое нам устройство топливного элемента: буфер-электролит, катод, токосъемный слой. Пока у вас есть газ – пропан-бутановая смесь в баллончике, у вас есть электричество. В полевых условиях такое устройство удобнее и надежнее, чем аккумулятор. ИХТТМ СО РАН стоял у истоков этой технологии в стране.
«В 2016 впервые в России мы изготовили анодные микротрубки методом экструзии с фазовой инверсией. Далее технология была передана нашему индустриальному партнеру, научно-исследовательском центру «Топаз» в Москве. Они с использованием этой технологии собирают стеки – блоки из микротрубчатых элементов мощностью от 10 до 100 Ватт», – рассказал Евгений Тропин, уточнив, что такие портативные источники электроэнергии получили неофициальное название «розетка в поле».
В институте продолжают работать над этой технологией: повышают механическую прочность, проницаемость, газопроводность материалов, экспериментируют с функциональными слоями. Сегодня разработано уже три метода изготовления анодных трубок: самый старый – экструзия, то есть продавливание пасты из органического и керамического наполнителя через форму в воду. Есть и новинки: литье с замораживанием, когда ту же пасту заливают в формы, и окунание металлических стержней в суспензию, когда на микротрубке можно последовательно наращивать различные слои.
«Метод окунания имеет высокий потенциал для автоматизации», – уточнил ученый.
Перспективы микротрубок не ограничиваются только получением тока: на основе этого же метода в лаборатории создают каталитические мембранные реакторы. С их помощью можно уже не преобразовывать газ в ток, а вести его химическое превращение, например, получать из природного газа, метана, так называемый синтез-газ – смесь угарного газа и водорода, или получить из этана этилен, используемый в производстве полимеров. Этой технологией тоже уже заинтересовались промышленные партнеры – Иркутская нефтяная компания.
Ценные металлы извлекут из мусора
«Чем сразу выделяется гречневая каша среди других? Она коричневая! Потому что и в крупе, и в лузге содержится особое вещество – растительный меланин», – рассказала старший научный сотрудники ИТТМ СО РАН Татьяна Скрипкина.
Похожее вещество вырабатывает и организм человека – именно оно окрашивает наши волосы, кожу, накапливается в родинках. А еще, как выяснили сотрудники лаборатории физико-химии полимерных композитных материалов ИХТТМ, меланин – прекрасный сорбент, способный извлекать из воды тяжелые металлы.
Гречишная лузга, которую в лучшем случае используют как органическое удобрение и набивку для эко-подушек, а чаще просто выбрасывают, – почти бесплатный источник растительного меланина. Но остается серьезная проблема – как высвободить меланин из лузги, сделать его доступным, но при этом не вымыть из шелухи напрочь. В институте проблему решили, подобрав параметры механической обработки лузги.
«Разное время, интенсивность обработки, влажность исходного сырья, было очень много параметров исследовано», – описала Татьяна Скрипкина работу, проведенную ее коллегой Алексеем Кирьяновым.
После этого лузгу смешивают с твердофазным окислителем – не более 5%, и получается сорбент, который эффективно выделяет из воды тяжелые металлы. Его можно использовать и в очистных сооружениях, и дома, и даже в полевых условиях. Сейчас ученые исследуют, какой объем воды может очистить сорбент до того, как возникнет необходимость его регенерировать.
Но даже отработанный сорбент, как уточнила Скрипкина, может принести пользу. Его сожгут, а из золы извлекут накопленные металлы. Многие из них – дефицитные и дорогостоящие.
Разработками лаборатории уже заинтересовался индустриальный партнер – АО «Сорбент». Компания известна как крупнейший в стране производитель дыхательных фильтров для респираторов и противогазов. Возможно, вскоре к ним добавятся и фильтры водные.
Переработка гречишной лузги – это не единственный способ добыть дефицитные металлы из бросового, казалось бы, сырья. Источником редкоземов может стать бурый уголь, который до сих пор считается топливом «второго сорта». Но многое зависит от месторождения, где его добывают. В России есть угли, которые буквально нафаршированы редкоземами.
«Экономически выгодной считается добыча из угля редкоземельных металлов, если их содержание превышает 400 граммов на тонну. В наших углах содержание редкоземельных элементов – 8 килограммов на тонну! И эти угли просто сжигают сейчас на иркутских ТЭЦ», – уточнила исследователь.
Уголь у ТЭЦ отбирать не будут, а вот золу, которая в лучшем случае используют в качестве наполнителя при строительстве дорог, новосибирские ученые собираются тщательно исследовать. Возможно, это еще один перспективный способ превратить отходы в доходы.
Учителя и ученики
Одна из первых молодежных лабораторий института – лаборатория материалов и технологий водородной энергетики. В ней работают над получением водорода и синтез-газа, но и готовы исследовать более сложные реакции, например, превращение пропана в пропилен, еще один материал для производства полимеров. Неожиданно для журналистов в лаборатории произошла незапланированная встреча.
«Маша, выходите к нам», – позвал директор института Александр Немудрый девушку, скромно сидевшую в сторонке.
Оказалось, что научный сотрудник молодежной лаборатории Мария Хохлова, будучи школьницей, занималась в классе у замгубернатора Новосибирской области Ирины Мануйловой, долгие годы преподававшей химию в школах Бердска. Немудрый уточнил, что Хохлова стажировалась во Франции, но вернулась в Новосибирск, чтобы продолжить научную работу на родине.
Наверное, все же самый ценный ресурс, который мы должны использовать на 100%, – это не гречишная лузга и не бурый уголь, а интеллект молодых исследователей. И у ИХТТМ СО РАН это получается.
