Литий-ионные аккумуляторы в нашей электронике сопряжены с загрязнениями экологии. Есть ли лучшие способы хранения и переноса энергии, которые добрее к планете?
Литий-ионные аккумуляторы питают многие гаджеты, которые мы используем сегодня, – от смартфонов и ноутбуков до электрических зубных щеток и ручных пылесосов. Наша потребность в них, скорее всего, только возрастет.
Однако такие аккумуляторы имеют свои ограничения. Со временем их способность удерживать заряд уменьшается, что означает, что они накапливают меньше энергии. В очень жаркую или холодную погоду их производительность также падает.
Кроме того, существуют опасения по поводу их безопасности и устойчивости – они могут загореться и взорваться при определенных условиях, в то время как добыча необходимых для них металлов сопряжена с высокими социальными и экологическими издержками.
Это побудило ученых приступит к разработке новых технологий производства батарей, которые помогут избежать этих проблем.
Батареи из древесины
Ученые из США недавно создали батарею, используя пористые куски дерева в качестве электродов, внутри которых ионы металлов генерируют электрический заряд. Древесина имеет низкую стоимость и намного легче, но имеет высокий потенциал производительности.
Поскольку она естественным образом эволюционировала и способна проводить питательные вещества, электроды в ней способны хранить ионы металлов без риска набухания или опасного сжатия, как это может произойти с электродами литий-ионных батарей.
Замена кобальта органическими материалами
Литий - не единственный металл, встречающийся в современных батареях – большинство также используют кобальт в сочетании с литием на катоде. Добыча его вредит здоровью населения, проживающего вблизи шахт, и окружающей среде.
Это вдохновило на разработку инноваций - батарей с использованием белков, сложных молекул, созданных живыми организмами. Аноды аккумуляторов обычно изготавливаются из графита, а катоды из оксидов металлов, содержащих такие элементы, как кобальт. Если их можно заменить органическими материалами, это означает, что больше не нужно будет добывать кобальт.
Разработанная американскими учеными белковая батарея Lutkenhaus является первым в мире силовым элементом, который разлагается по требованию, а именно: растворяется в кислоте. Это означает, что его можно использовать снова.
Супер фрукты
Ученые не только пытаются найти новые способы питания наших устройств, но и одновременно решить проблему пищевых отходов. Например, превращают отходы из самого пахучего фрукта в мире, дуриана, и самого большого в мире фрукта, джекфрута, в суперконденсатор, который может заряжать мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки всего за несколько минут.
Суперконденсаторы - это альтернативный способ сохранения энергии. Они действуют как резервуары и способны быстро заряжать и отдавать энергию. Они, как правило, сделаны из дорогих материалов, таких как графен, но ученым удалось превратить несъедобные части дуриана и джекфрута в углеродные аэрогели – пористые сверхлегкие твердые тела с "исключительными" природными свойствами хранения энергии.
Они нагревали, сублимировали и выпекали несъедобную губчатую сердцевину каждого плода в духовке при температуре более 1500 °C. Черные высокопористые сверхлегкие структуры, которые остались после этого, можно было затем превратить в электроды недорогого суперконденсатора.
Аккумуляторы из алмазов
Хотя ученые из Бристольского университета не верят, что литий-ионные батареи будут заменены в течение следующего столетия, они ищут возможности сохранения энергии в экстремальных условиях.
Они занялись разработкой аккумуляторов, изготовленных из алмазов. Выращивая искусственные камни, содержащие радиоактивный углерод-14, они могут создавать "бетавольтовые батареи", которые производят постоянный ток и могут работать 1000 лет.
Запертые внутри алмазной решетки, радиоактивные изотопы выбрасывают электроны сверхвысокой энергии, когда они подвергаются ядерному распаду. Это, в свою очередь, создает поток электронов через структуру алмаза, который может быть использован для производства электрического тока. Снаружи радиоактивность останется на безопасном уровне.
В то время как химические батареи, такие как литий-ионные, плохо переносят высокие температуры, эти прочные алмазные батареи способны работать в самых сложных условиях, например, в космосе, на дне океана и, возможно, на вершине вулкана. Они идеально подходят для поддержания спутников и компьютерных датчиков в рабочем состоянии.
