Оказывается, обычный рис, который многие используют для спасения утонувших гаджетов – метод, кстати, не особо эффективный – таит в себе потенциал для настоящего прорыва в области хранения энергии. Ученые из Мичиганского университета и Технологического института Карлсруэ обнаружили, что побочный продукт переработки риса, рисовая шелуха, при сгорании образует уникальную форму углерода. Этот так называемый «жесткий углерод» обладает поразительной способностью значительно увеличивать плотность энергии аккумуляторов, тем самым потенциально продлевая их работу вдвое.
Современные литий-ионные аккумуляторы, широко используемые в портативной электронике и электромобилях, основаны на графите в качестве материала для анода – отрицательного электрода. Графит выбрали из-за его слоистой структуры, которая обеспечивает беспрепятственное движение ионов лития при зарядке и разрядке. Однако, несмотря на все преимущества графита, его энергоемкость оставляет желать лучшего. Именно поэтому ученые активно ищут альтернативные материалы. Например, жесткий углерод, особая форма углерода, которая не поддается преобразованию в графит, уже нашел применение в набирающих популярность натрий-ионных аккумуляторах. Его главное преимущество – более высокая плотность энергии по сравнению с графитом.
Традиционно, производство жесткого углерода требовало энергоемкого процесса нагрева биомассы до очень высоких температур в бескислородной среде. Этот метод не только сложен и затратен, но и наносит вред окружающей среде из-за выброса парниковых газов. В поисках более экологичного и эффективного решения, исследователи обратили внимание на рисовую шелуху. Этот материал, остающийся после обработки риса в огромных количествах (только в США ежегодно производится около 9 миллионов тонн рисовой шелухи), уже используется для производства электроэнергии, например, в Калифорнии, где она обеспечивает около 200 тысяч мегаватт-часов в год. Примечательно, что сжигание рисовой шелухи считается углеродно-нейтральным процессом, так как выделяемый при этом углекислый газ равен тому количеству, которое растение поглотило из атмосферы в процессе роста. Однако, новое исследование открывает перед рисовой шелухой еще более перспективное применение.
При сгорании рисовой шелухи образуется зола, состоящая преимущественно из диоксида кремния и углерода. Диоксид кремния находит применение в производстве солнечных батарей и полупроводниковых материалов. А вот оставшийся углерод и представляет собой тот самый ценный жесткий углерод. В отличие от коммерческих образцов жесткого углерода, которые обычно обеспечивают емкость около 500 миллиампер-часов (мАч), жесткий углерод, полученный из рисовой шелухи, демонстрирует выдающиеся результаты. Его уникальная нанопористая структура, визуализированная с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, позволяет достигать емкости свыше 700 мАч, что почти вдвое превышает показатели графита (370 мАч).
Исследователи уже подали заявку на патентную защиту своего открытия через "инкубатор" стартапов Мичиганского университета. Они надеются, что разработанный ими высокоэффективный жесткий углерод из рисовой шелухи найдет широкое применение в аккумуляторах нового поколения для электромобилей и стационарных систем хранения энергии, обеспечивая более продолжительную работу и снижая зависимость от ископаемых видов топлива. Кроме того, использование этого материала позволит эффективно утилизировать рисовую шелуху, превращая сельскохозяйственные отходы в ценный ресурс для энергетики будущего.