Сжигаем рисовую шелуху – заряжаем будущее

Ученые из Мичиганского университета сделали важный шаг на пути к созданию более экологичных и эффективных аккумуляторов. Они выявили новую форму углерода, которая может практически удвоить плотность энергии современных литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов. Эта находка стала результатом детального изучения золы от сгоревшей рисовой шелухи — внешнего слоя рисовых зерен, который ранее считался отходом.

Исследователи установили, что зола рисовой шелухи содержит уникальный «твердый» углерод, превосходящий графит по своим свойствам. Впервые был продемонстрирован метод получения такого углерода путем сжигания, тогда как ранее считалось, что его можно синтезировать только нагреванием биомассы до 1200°C в бескислородной среде. Это открытие не только упрощает процесс производства, но и делает его более устойчивым.

Профессор материаловедения и инженерии Университета Мичигана Ричард Лейн отметил, что сжигание рисовой шелухи обеспечивает углеродно-нейтральный процесс производства. При сгорании шелухи выделяется ровно столько углекислого газа, сколько рис поглотил из атмосферы в процессе своего роста. Ученый подчеркнул, что этот подход превращает сельскохозяйственные отходы в экологически чистый источник энергии и материала для аккумуляторов. Например, калифорнийская компания Wadham Energy LP уже использует рисовую шелуху для производства электроэнергии, вырабатывая ежегодно 200 000 мегаватт-часов — достаточно для обеспечения энергией 22 000 домов.

Сжигание шелухи также позволяет уменьшить зависимость от импорта графита, который добывается в Китае и Мексике. Зола рисовой шелухи может стать местным, устойчивым и более эффективным источником материала для аккумуляторов. Для производства качественного графита из биомассы требуется нагрев до 2000°C и значительные выбросы углекислого газа, тогда как новый метод существенно снижает углеродный след.

При изучении золы ученые обнаружили, что ее углеродная часть имеет сложную структуру. Используя молекулярные спектроскопические методы, они идентифицировали небольшие графитовые «островки», окруженные аморфной углеродной матрицей. Именно эта структура, известная как твердый углерод, обеспечивает уникальные свойства материала. Лейн объяснил, что при сжигании шелухи оболочка из кремнезема создает своего рода «защитную капсулу», благодаря которой углерод принимает такую форму.

Электрохимические испытания подтвердили преимущества твердого углерода из золы рисовой шелухи. Его емкость хранения лития достигает более 700 мАч на грамм, что почти вдвое превышает показатели графита (370 мАч) и существенно превосходит коммерческий твердый углерод (500 мАч). Это открывает перспективы для создания аккумуляторов с большей плотностью энергии, что особенно важно для электромобилей и систем хранения энергии.

Дополнительным преимуществом материала является его нанопористая структура, которая способствует более эффективному накоплению лития. Такой подход к переработке отходов не только снижает затраты и выбросы, но и удовлетворяет растущий спрос на аккумуляторы.

Инновация уже защищена патентом, и команда из Университета Мичигана ищет партнеров для коммерциализации технологии. Немаловажным вкладом стало сотрудничество с Технологическим институтом Карлсруэ в Германии, а также поддержка компании Wadham Energy, предоставившей золу для исследований.

Таким образом, открытие не только демонстрирует возможности рационального использования отходов, но и прокладывает путь к более экологичному и устойчивому будущему.