Электрохимическая кухня: как приготовить анод из борщевика?

Может ли ядовитый сорняк стать незаменимым источником материала для аккумуляторов нового типа? Оказывается, да! Об этом рассказывает Зоя Бобылёва, научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета МГУ.

— Зоя, знаю, что вы занимаетесь разработкой нового материала для электрических батарей из борщевика. Абсолютно гениальная, на мой взгляд, идея — использовать этот несносный сорняк для столь благородных целей. Кому она пришла в голову?

— Идея использовать биомассу для получения углерода не новая, а использовать таким образом борщевик первым предложил профессор Сколтеха Артём Михайлович Абакумов. Для меня такое предложение стало своеобразным вызовом. Поначалу я рассмеялась, восприняв эти слова как шутку.

— Вы не поверили, что такое возможно?

— Я знала, что это возможно, хотя меня и удивил сам выбор. Дело в том, что сейчас получать углеродный материал мы фактически можем из чего угодно. Мы находимся на той стадии, когда пытаемся найти источник дешёвого, доступного сырья, который по своим свойствам не уступал бы другим.

— Вы говорите, что умеете получать углерод из чего угодно. А конкретно?

— Сотрудники Артёма Михайловича получали углерод из подорожника, мы, в МГУ, пытались делать его из разных углеводов — из глюкозы, например. Потом я подумала, что можно для этой цели взять мёд.

— Но это довольно дорого.

— Да, недёшево. Я тогда вернулась от родственников из Башкирии, откуда привезла мёд, и мне было интересно, что получится. Я взяла его, сварила в реакторе и увидела те же самые микросферы, что и в случае глюкозы, так что мёд тоже оказался вполне пригодным сырьём. Я была в восторге от этого и продолжила эксперименты. Использовала уголь, и оказалось, что он тоже может работать как анодный материал, хотя у него чуть хуже свойства.

Четыре года назад я столкнулась со своеобразной критикой: зачем заниматься такой «кухней», ведь можно очень долго перебирать такие материалы, но будут ли они применяться в реальности? Есть огромное количество статей, где берут всё что угодно, получают углерод и говорят об уникальных свойствах. Но на самом деле ничего уникального там нет. Зато можно написать много статей. Возникает своего рода спекуляция на этой теме.

Зоя Бобылёва, научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета МГУ. Фото из личного архива.

Поэтому, когда мне вдруг предложили борщевик, я не восприняла это всерьёз. Но мы решили, что это интересно, и попробовали это сделать. Первый мой борщевик я получила в пакете в сухом виде. Такой «букет» стал своеобразным подарком от моего студента. Дальше — вопрос технологии. В любой растительной технологии изначально содержатся углерод, водород, кислород и набор других элементов в меньшем количестве, и наша задача — получить углерод, удалив другие элементы.

Самый простой способ — нагреть при очень высокой температуре без доступа кислорода: всё остальное улетит, останется только углерод. Тут уже проявляется наша задача как людей, занимающихся электрохимическим материаловедением, — посмотреть, насколько этот углерод будет хорош для наших потребностей?

Однако просто нагревание не дало хорошего результата, и пришлось добавить ещё пару стадий перед этим нагревом. Мы занялись предобработкой. Про это мы написали статью в Batteries, которая имела довольно шумный успех.

— Но ведь сухой борщевик наверняка быстро закончился. Где же вы добываете свежих борщевиков?

— Да, настал такой момент. Я не очень хотела работать со свежим борщевиком, понимая, что это небезопасно. Лучше, конечно, сухой — почти готовая целлюлоза, но он у нас закончился, а результатов для публикации было недостаточно.

Одна из моих студенток очень расстроилась, потому что это была её первая публикация, и она очень хотела, чтобы всё получилось. Она пожаловалась родителям, которые живут в Обнинске, и ночью рядом с дачей они нарезали много борщевика.

— Ночью — чтобы не получить ожоги от сока борщевика, которые образуются только при солнечном свете?

— Совершенно верно. Они упаковали всё это в коробку и доставили сюда. Сейчас у нас борщевика очень много, и его продолжают нести — уже и класть некуда.

— Какой материал вы из него получаете? Как он выглядит?

— Мы получаем углерод — он выглядит как чёрный порошок. Углерод, как мы знаем, бывает разный. Мы можем использовать его как дорогое украшение, которое называется бриллиант, а можем читать про уникальные свойства однослойного материала, графена.

Но всё это углеродные материалы, у которых есть структура. Если же мы возьмём материал, у которого структуры нет, то не сможем никак его описать. Под структурой мы понимаем некий каркас, который мы можем во всех направлениях продолжить. Углерод интересен тем, что он способен образовывать очень хаотичные связи и поэтому из него получается не только фуллерен или алмаз, но и что-то среднее. Материал, который получаем мы, — это как раз что-то среднее между графитом, алмазом и фуллереном.

Наш материал состоит внутри из маленьких, коротких, искривленных графитовых включений. Из-за того, что они короткие, в них присутствуют те же связи, что и в алмазе. Поэтому наш материал твёрже, чем графит, а называют его неграфитизируемым, потому что графитом он не станет из-за большого количества необычных дефектов.

Работа с борщевиком в лаборатории, конечно, требует осторожности и средств индивидуальной защиты, но значок радиоактивной опасности на халате исследователя всё-таки больше перестраховка (хотя от борщевиков, собранных под Обнинском, можно ожидать разных сюрпризов).

Это одновременно очень простой материал, потому что его очень легко получить из практически всего, что может попасть под руку — из сахаров, целлюлозы или любой биомассы, и очень сложный, потому что мы никак не можем его описать. Он аморфный, а с такими материалами работать сложнее. Но, тем не менее, этот материал нравится ионам натрия, а это для нас очень хорошо.

— Почему вы взяли натрий, а не тот же литий?

— Литий-ионные аккумуляторы распространены везде, сегодня мы не можем представить себе жизни без них. Это наши беспроводные наушники, электронные часы, другие устройства. Но выясняется, что существует спрос не только на миниатюрные, но и на очень большие аккумуляторы. Например, если обложить дом солнечными батареями, то за день можно накопить большую энергию. Для её хранения нужен большой аккумулятор. Или представим электрокары, электробусы. Тут возникает вопрос цены. Лития мало, он недешёв и всем нужен, поэтому цена на него стремительно растет. Есть и другие редкие металлы, например, кобальт, которого тоже мало, и это большая проблема.

— А натрия много?

— Натрия очень много. Если вы зайдёте к себе на кухню, то увидите соль и соду — это тоже источники натрия. Литий же рассредоточен по планете в виде россыпей, и добывать его отдельная проблема. Это, кстати, тоже большая загадка — куда он делся?

— Наверное, израсходовали на батарейки?

— В том-то и дело, что его изначально мало, а вроде бы должно быть больше. Здесь существуют разные гипотезы, но факт в том, что мы должны довольствоваться тем, что есть. Если с литием, как мы поняли, существуют проблемы, то с натрием всё намного проще. Также мы можем получать в России анодный материал — углерод из такого доступного сырья, как борщевик.

— Вы предлагаете собирать его по ночам вдоль автотрасс?

— Это вопрос логистики. Конечно, его надо собрать и доставить, но я думаю, что это вопрос уже не наш. Мы просто рассказываем, что это можно сделать. Как его собирать и доставлять, должны выяснять те, у кого есть запрос на получение аккумуляторов.

— Наверное, возможны какие-то машинные технологии, когда людям не надо с ним соприкасаться?

— Да, конечно. На самом деле хочу подчеркнуть, что сырья для получения углерода в нашей стране много, а борщевик просто вызывает повышенное внимание. Даже многие отходы производств можно использовать для подобных целей.

— Каким вам видится практическое применение натрий-ионных аккумуляторов из борщевиков?

— Как я уже сказала, это большие стационарные батареи для хранения энергии. С одной стороны, все хотят, чтобы аккумулятор был легче и меньше, и тут хорош, в частности, литий, а с другой — есть такие технологии, где размер не так важен. Нужно, чтобы он был большой, дешёвый и мог сохранять энергию. В этом случае натрий-ион незаменим.

— А почему натрий-ионный аккумулятор не может быть компактным?

— Он может быть компактным, но по сравнению с литием он всегда будет крупнее, просто потому что ион натрия больше, чем ион лития. Можно придумать способы миниатюризации натрий-ионных аккумуляторов, но сейчас самое главное — запустить процесс их производства. Тогда, уверена, технология будет стремительно развиваться, как в своё время случилось с литий-ионными аккумуляторами. Представляю себе, например, курсирующие по городу электробусы, на которых нарисован борщевик. Наконец-то этот ядовитый сорняк станет всем нужен — неплохая, на мой взгляд, перспектива.