Обыкновенный древесный уголь, образующийся при сжигании малоценных древесных отходов, может быть хорошим сырьем для производства суперконденсаторов. Группа американских исследователей выяснила, что такой материал не уступает специальному активированному углю и при этом стоит в десятки раз дешевле. Подробности со ссылкой на статью ученых в Electrochimica Acta и материалы, предоставленные университетом Иллинойса, приводит Phys.org.
Сотрудники Центра устойчивых технологий при университете попытались использовать в качестве электродов для суперконденсаторов уголь, полученный при сжигании древесных отходов. Для этого фрагменты древесины березы, сосны и красного кедра нагревали до 750 градусов по Цельсию, причем без какой-то дополнительной обработки. Полученные кусочки угля использовались в экспериментах целиком и с их помощью ученым удалось построить суперконденсатор, который накопил достаточно энергии для свечения светодиодного фонаря.
Измерения показали, что простой кусок древесного угля может стать электродом для конденсатора с емкостью порядка 14 фарад на грамм массы. Если же уголь обработать слабым раствором азотной кислоты, HNO3, то верхний предел удельной емкости вырастает в восемь раз, до 115 фарад на грамм. Кроме того, предварительные испытания, в ходе которых суперконденсаторы из угля перезарядили более пяти тысяч раз без значительного снижения их емкости, показали пригодность нового метода к долговременной эксплуатации.
Ученые не уточнили название видов, древесину которых использовали в опытах: и если с сосной и березой особых разночтений не возникает, то вот под «красным кедром», red cedar, обозначается как вирджинский можжевельник, так и складчатая туя, причем в Австралии растет еще один «кедр» Toona ciliata, который относится к семейству мелиевых.
Суперконденсатор в сборе
Экспериментальный образец, через стеклянную стенку банки виден кусок древесного угля. Это устройство имеет характеристики, которые полстолетия назад казались невозможными: первый ионистор появился в продаже в 1960-е годы. Сверху лежит светодиодный фонарь.. Фото: L. Brian Stauffer
Исследователи подчеркивают, что ключевым достоинством их метода является не просто дешевизна сырья, а сочетание низкой стоимости материалов с простотой обработки. В настоящее время суперконденсаторы с электродами на основе активированного угля серийно производятся с использованием кокосовой стружки, но для активации уголь требуется обрабатывать различными химикатами, которые затем подлежат утилизации. Использованная изобретателями промывка слабой азотной кислотой тоже предполагает получение раствора зол в кислоте (эффект повышения емкости ученые связали с вымыванием из угля солей кальция и других примесей), однако подобный раствор, по заверениям авторов новой технологии, является готовым сырьем для производства удобрений, а не опасными химическими отходами.
Суперконденсаторы, они же ионисторы, позволяют накапливать очень большой заряд на единицу объема. Плотность хранения энергии у них меньше, чем у аккумуляторов, но зато ионисторы быстро отдают заряд и столь же быстро его накапливают. Это позволяет использовать их как источник энергии для вспышек в фотоаппаратах, для питания троллейбусных моторов при проезде участков без контактной сети, а также везде, где быстрота накопления и отдачи энергии важнее емкости как таковой.