Для изготовления аккумуляторных батарей используется ценный металл литий. По оценкам некоторых экспертов, литий закончится к 2035 году, а некоторые из них говорят, что он может иссякнуть уже через четыре года.

Кому из-за этого стоит переживать? Ответ — всем, у кого есть смартфон, ноутбук или электромобиль. Не было бы лития, их пришлось бы постоянно держать включёнными в сеть.

Но дело не только в комфорте. Литий также играет важную роль в хранении энергии ветра и солнца — важность этого сектора возрастает с каждым днём.

Следовательно, сейчас мир переживает революцию в разработке аккумуляторных батарей.

Ученые ищут альтернативы

”Проблема мировой нехватки лития широко обсуждается, — говорит Аннела Ангер-Краави, эстонка, старший исследователь климатической политики из Кембриджского университета и ведущий эксперт Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. — Мы не можем двигаться в направлении широкомасштабного использования возобновляемых источников энергии, например, в транспорте и в промышленности, не зная, как хранить всю эту энергию”.

Учёные во всём мире упорно пытаются найти замену этому очень плотному, но чрезвычайно легкому металлу.

В Эстонии лидирующие позиции занимает Энн Луст, профессор физической химии и глава химического института Тартуского университета. Он с 1990-х годов тестирует способность углерода сохранять энергию.

В то время углерод был второстепенным веществом, в основном используемым в качестве вспомогательного материала для источников энергии.

”Углерод стал универсальным источником энергии совершенно невероятным образом, — говорит Луст. — В 90-е мы и представить себе не могли, что произойдёт что-то подобное”.

Он ищет широкодоступную и экологически безопасную замену литию. Почему бы не подумать об углероде, ведь он повсюду! И, судя по всему, он может сослужить куда большую службу, чем обычные карандаши (графит — это форма углерода) и алмазы (тоже углерод).

Луст предполагает, что нашёл идеальное решение, и находится оно в эстонских землях.

Подготовка почвы

Эстонцы любят свои болота — эти влажные пласты территории. Любят настолько, что во время карантина COVID-19 сотрудникам полиции приходилось разгонять толпы людей, гулявших по деревянным болотным тропам.

Болота есть буквально повсюду, поскольку почти четверть страны покрыта водно-болотными угодьями.

Углерод может быть синтезирован из многих материалов, например, полимеров, сахара или биомассы, и некоторые полученные из биомассы твёрдые углероды являются особенно эффективными и даже могут конкурировать с природным графитом — электродной матрицей для хранения лития. Как выяснили эстонские учёные, этот волшебный углерод может содержаться в торфе (слое разложившегося растительного материала на заболоченных территориях).

В своем исследовании, опубликованном в Electrochemistry Communications в 2020 году, Луст и его команда 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.

В Эстонии ежегодно извлекают около миллиона тонн молодого углеродсодержащего торфа для садоводства и отопления. Под этим слоем находится более старый, сильно разложившийся слой торфа, ещё лучше подходящий для производства углерода, но обычно остающийся неиспользованным и подлежащим утилизации.

Луст и его команда хотят найти ему применение и объясняют, как это сделать, в статье, опубликованной в RSC Advances.

Они измельчают торф в порошок и промывают его, 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 ещё более горячую печь. В результате получается особый углерод, который проводит электричество и накапливает электрическую энергию — ионы натрия — на отрицательном полюсе аккумулятора.

Экологичный и мощный

На положительный полюс наносится богатый натрием сложный оксид, а натрий извлекается из соли или из солёных вод, которых на нашей планете в изобилии.

Получившийся экологичный продукт — комбинация соли и биомассы — настолько мощный, что может конкурировать на мировом рынке накопителей энергии и топлива.

”Электроды, поглощающие натрий, извлечённый из эстонского торфа, имеют такую же энергоёмкость, как и электроды в литиевых аккумуляторах”, — говорит Луст.

Луст и его команда (Томас Томберг, Расмус Палм, Таво Романн, Алар Янес и другие) создали в Тартуском университете суперконденсатор (немного отличающееся от батареи устройство накопления энергии, которое заряжается очень быстро) и теперь работают над созданием аккумуляторов.

Но на этом хорошие новости не заканчиваются! Такая углеродная батарея может быть в три-пять раз дешевле литиевой.

Луст считает, что углеродные накопители энергии на основе торфа идеально подойдут для крупных стационарных сооружений — солнечных ферм и ветрогенераторов.

Требуются большие вложения

Эти открытия эстонские ученые запатентовали в Великобритании и США.

В том, чем занимаются ученые из химического института, заинтересованы многие компании, но даже небольшой завод по производству аккумуляторов потребует инвестиций в размере не менее 50 миллионов евро — а эта цифра может отпугнуть потенциальных инвесторов.

На данный момент команда учёных всё ещё 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, — отмечает Ангер-Краави. — Пока мы не можем предложить решения глобального уровня, и давайте посмотрим правде в глаза: они не возникнут из ниоткуда”.

Она добавляет, что не все идеи могут выбраться из лаборатории. Большинство из них провалятся. ”Учёные должны иметь возможность проверять свои идеи. Им нужно позволять идти на риск. Неудачи следует принимать, и принимать их как необходимую часть этого процесса”.

Подача заявок на гранты Евросоюза на исследования и инновации занимает много времени, и конкуренция высока. Ученые месяцами могут работать впустую.

Миру нужны новые идеи, и вот одна из них — предложенная эстонскими учёными для решения неизбежной проблемы, связанной с исчезновением лития.

Будем надеяться, она не останется в лаборатории, а найдёт своё применение в реальной жизни.