Возьмите старые металлические отходы, положите их в стеклянную банку с мыльным раствором и получите высокоэффективный аккумулятор. Такой философии придерживаются исследователи из Университета Вандербильта – создатели достаточно мощного функционирующего аккумулятора из отходов меди и стали.
«Представьте себе, что тонны металлических отходов, которых с каждым годом становится все больше, могли бы использоваться для питания возобновляемых источников энергии будущего, вместо того, чтобы стать бременем для окружающей среды и перерабатывающих предприятий» – говорит Кэри Пинт, доцент кафедры машиностроения в Университете Вандербильта.
Пинт возглавил исследовательскую группу, которая использовала обломки стали и меди – два наиболее часто выбрасываемых материала – для создания первого в мире аккумулятора из этих металлов. Такая батарея может накапливать энергию не хуже привычных свинцово-кислотных аккумуляторов. По скорости зарядки новая разработка может сравниться с ультра-быстрыми суперконденсаторами.
Исследовательская группа, состоящая из выпускников и студентов междисциплинарных программ Вандербильта и факультета машиностроения, описала свое достижение в журнале ACS Energy Letters. В своей работе ученые продемонстрировали всю многогранность своей техники, которая позволяет обрабатывать стальные и медные материалы различных форм, размеров и чистоты для производства функциональных компонентов батареи.
В получившемся аккумуляторе напряжение ячейки составляет 1,8В, плотность энергии достигает 20Вт*ч/кг, а плотность мощности до 20кВт/кг. Аккумулятор выдержал 5000 последовательных циклов зарядки, что эквивалентно 13 годам ежедневной зарядки и разрядки. В результате эксперимента он сохранил чуть более 90% своей мощности.
Ответ к загадке такой производительности кроется в анодировании – широко распространенной процедуре наращивания оксидной пленки при помощи анодного окисления. Чаще всего ее используют для придания прочности и декоративной отделки алюминия, но процедуру анодирования можно провести с практически любым металлом. Это можно сделать даже в домашних условиях, хотя и не рекомендуется.
На первом этапе проводятся подготовительные работы: поверхность металла полируется и шлифуется. Затем производится обезжиривание, чаще всего с помощью органических растворителей вроде бензина, спирта или ацетона, и обработка щелочью (обыкновенным мыльным раствором). Следующий этап – декапирование поверхности концентрированным раствором серной кислоты и хромпика. Это делается для того, чтобы удалить окислы, препятствующие нанесению нового покрытия. Далее, собственно, анодирование – окисление металла в электролитном растворе под воздействием постоянного тока. В качестве вещества, проводящего ток, также подойдет раствор серной кислоты, но уже менее концентрированный. Вряд ли вы найдете его у себя дома, поэтому можно заменить раствором пищевой соли и соды.
Чтобы преобразовать медь и сталь в функциональные электроды для перезаряжающегося аккумулирования энергии, достаточно комнатной температуры. Под ее воздействием эти многокомпонентные сплавы преобразуются в оксид железа, активный в окислительно-восстановительных реакциях, и оксид меди. Когда отходы стали и меди анодировали с использованием раствора из стирального порошка и электрического тока, исследователи обнаружили, что металлические поверхности перестраиваются в нанометровые сети оксида металла, которые могут хранить и высвобождать энергию при взаимодействии с основанным на водном растворе электролитов.
Группа пришла к выводу, что эти области с нанометровыми сетями объясняют столь быстрый процесс заряда и исключительную стабильность батареи. В создании аккумуляторов из меди и стали использовали невоспламеняющиеся водные растворы электролитов, которые содержат гидроксид калия – недорогую щелочь, которую используют в производстве стирального порошка.
Первый прототип аккумулятора
Пинт отмечает, что когда твоя главная цель заключается в том, чтобы производить материалы для батарей из подручных средств так дешево, чтобы крупномасштабные производственные мощности не имели никакого смысла, ты должен подойти к этому как-то иначе, чем проводить эксперименты в исследовательской лаборатории.
«Мы видим, что современное общество постепенно движется к «культуре созидания», где крупномасштабное производство новой продукции постепенно масштабируется до отдельных лиц или общин. До сих пор батареи оставались вне этой культуры, но я считаю, что настанет день, когда жители будут отключаться от сети и будут производить свои собственные батареи. Это уровень, с которого началась технология батареи, и я думаю, что мы сможем к ней вернуться» – говорит Пинт.
Команда ученых из Университета Вандербильта черпала вдохновение из багдадской батарейки – простого устройства, придуманного за 2000 лет до рождения Алессандро Вольта. Она состояла из глиняного горшка, медного листа и железного прута, которые были найдены вместе со следами электролита. Предполагается, что такая батарейка, заполненная щёлочью или кислотой, могла создать напряжение в 1В. Ученые на протяжении последнего столетия экспериментировали с этим гальваническим элементом, пытаясь сделать точную копию багдадской батарейки и воспроизвести реакцию. Опыты, вошедшие в историю, были исключительно удачными. Однако, некоторые скептически настроенные ученые считают, что тот факт, что сей артефакт может генерировать энергию, вовсе не означает, что он использовался именно для этого. И хотя интерпретация этого артефакта до сих пор вызывает споры, его простая конструкция стала примером для создания новой разработки. В дальнейшем ученые планируют сконструировать полномасштабный прототип батареи, пригодный для использования в энергоэффективных умных домах.
«С этим проектом мы открываем новые горизонты, где положительный результат – не коммерциализация, а ясный набор инструкций, который можно адресовать широкой публике. Это абсолютное переосмысление возможностей аккумуляторов, которое поможет обойти барьеры, сдерживающие инновации в аккумулировании и сохранении энергии» – уверяет Пинт.
Комментарии (44)
PlayTime
04.11.2016 00:19+1Интересно. Но не сказано, какая деградация акумулятора со временем. 5000 тысяч циклов это хорошо. Но если иметь 100циклов и 20 лет, батарея будет как новая? Я не знаю что такое хромпик но остальное достать не проблема. Далее помещаем в невоспламеняющиеся водные растворы электролитов, которые содержат гидроксид калия и батарея готова? Интересно. Хорошо было бы иметь недорогой и с длительным сроком эксплуатации стационарный акумулятор на несколько киловатт*часов.
thatsme
04.11.2016 00:33Аккумулятор выдержал 5000 последовательных циклов зарядки, что эквивалентно 13 годам ежедневной зарядки и разрядки. В результате эксперимента он сохранил чуть более 90% своей мощности.
Не то?PlayTime
04.11.2016 01:05не то. К примеру литий в год будет терять около 20% своей емкости даже если его вобще не трогать(а если еще и переразряд допустить....). Никогда не находили старые но еще ниразу не использовавшиеся батарейки? Я находил батарейки которым больше 20 лет. В общем они уже были не рабочими.
Fagot63
04.11.2016 13:01Возможно что не каждый литий. У меня цифровая камера SonyDCR-TRV19E. Аккумулятор за годы эксплуатации и хранения в каком попало состоянии потерял примерно 10% емкости. Модель NP-FM30. Пару раз акк. вообще в 0 разряжался, что даже проверка емкости не запускалась. Примерно год как заметил данный феномен.
lonelymyp
05.11.2016 00:31у меня в фонарике трудятся банки 18650 фирмы сони, которые я достал из батареи ноутбука прошлого века.
Mad__Max
12.11.2016 22:27Это древнючая и давно неактуальная информация (но упорно осевшая в куче материалов в рунете). Литиевые аккумуляторы, если циклов заряд-раздяд было не слишком много, то служат по 10-15 лет. Основная деградация идет именно по циклам.
lubezniy
04.11.2016 08:45+2Хромпик — это бихромат калия. Категорически не рекомендую применять в домашних условиях для любых целей.
unxed
04.11.2016 08:56+2IMHO, лучше так: высокотоксичен, канцерогенен, брызги его раствора разрушают кожные покровы, дыхательные пути и хрящевые ткани. ПДК 0,01 мг/м? (в пересчете на CrO3). При работе с дихроматом калия необходимо применять защиту органов дыхания и кожи.
lubezniy
04.11.2016 09:09+2Брызги его раствора разрушают почти всё, на что они попадают. А из-за токсичности, помнится, на прежней работе химики, у которых была с ним разовая задача, использовали противогазы ГП-5 и перчатки. Халаты потом пришлось выбросить: их проело до дыр.
General_Failure
04.11.2016 10:21Так вот из чего на самом деле состоит кровь у чужих!
А если серьёзно, в чём тогда его хранят? С какими веществами он не взаимодействует?Rower-off
04.11.2016 11:03+2Работал на заводе, линия гальваники.
Хромпик привозят в стеклянных бутлях находящихся в пластиковых бочках. Ванны из металла, имеют вставку из стеклоткани и эпоксидки (футировка). Подогрев ванны, змеевиком из свинцовой трубы.
Попала эта гадость в ранку на пальце, гноилось пару месяцев и болело. Но прошло.
Гальваники работают в халатах, резиновых сапогах и перчатках. Очки и «намордник» — игнорируют. Правда и вентиляция над ваннами есть, но в цеху всегда небольшой туман.
nomadmoon
06.11.2016 03:54О_о
Когда то покупал хромпик для изготовления самодельного фоторезиста (http://www.ixbt.com/mainboard/pcb-at-home.shtml), продали просто в полиэтиленовом пакете, без всяких герметичных банок. Про адическую опасность вещества ни в статье ни в лабазе (специализированный магаз хим веществ) ничего не сказали. Он точно настолько ядрёный?
Gryphon88
06.11.2016 12:55Да, только на воздухе быстро выдыхается.
Мы его использовали для мойки лабораторной посуды, отмывает вобще все. Техника безопасности простая:
— хранить только в стекле, под притёртой крышкой
— работать только в перчатках (ногти сходят быстрее, чем от прицельного удара молотком)
— дышать в сторону, по возможности — пользоваться вытяжкой.
— ополаскивать проточной водой 6 раз, потом дистиллятом ещё 6 раз
— уметь быстро отпрыгивать и быстро снимать халат, если попало большое количество.
Я один раз прыгнул недостаточно быстро и остался без новых кожаных ботинок. Это считается повезло.
LadyN
04.11.2016 15:14+2Там ещё про концентрированную серную кислоту упоминают, которую в домашних условиях тоже хранить и применять не стоит. Вообще, применение данной технологии «широкой публикой», как выражаются авторы, может быть смертельно опасно. Я прямо таки вижу людей, которые в шортах и шлёпанцах на богу ногу переливают ёмкости с концентрированной серной кислотой, а потом сливают отходы в раковину на кухне.
Mad__Max
13.11.2016 00:30Тут опять журналисты сильно над учеными надругались. В оригинале кислота была не серная, а соляная и не то чтобы очень концентрированная (37%). А никаких упоминаний хромпика в оригинальной статье вообще не нашел. Для подготовки электродов (в основном очистки от всякой дряни) использовалась разведенная соляная кислота(разведенная от начальных 37% до примерно 10%), ацетон, этиловый спирт.
Для первичного анодирования — слабый раствор фторида аммония (NH4F) и этиленгликоля для одного электрода и раствор гидрооксида калия (KOH) для другого.
Рабочий электролит после подготовки электродов — тоже раствор гидрооксида калия.
«Инструкция» есть по ссылке: http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsenergylett.6b00295/suppl_file/nz6b00295_si_001.pdf
rodial
04.11.2016 09:30В теории если сделать качественное анодное окисление, то появившаяся на поверхности оксидная плёнка не будет взаимодействовать с солевым электролитом и деградации происходить не должно. Деградация будет только при нарушении целостности оксидной плёнки.
P.S. я не специалист, поправьте если ошибаюсь.
thatsme
04.11.2016 00:32+4обломки стали и меди – два наиболее часто выбрасываемых материала
Выбрасываемых? Ещё раз: «Выбрасывыемых?»… На чём делают деньги миллионеры вторчер-и-цвет-мета? Медь сейчас настолько востребована, как никогда ранее.
Результаты конечно впечатляют. Кто-нибудь может сказать, описанный в статье цикл пр-ва, дешевле пр-ва литий-ионных батарей?rodial
04.11.2016 09:57Кто-нибудь может сказать, описанный в статье цикл пр-ва, дешевле пр-ва литий-ионных батарей?
тут скорее надо сравнивать со свинцовыми аккумуляторами.
Да и что-то я сомневаюсь что получится сделать более или менее эффективный аккумулятор из лома металлов. Тут скорее больше подходят стальные и алюминиевые тонкие листы (толстая фольга). В ином случае количество используемой меди сделает цену заоблачной.
Mad__Max
12.11.2016 22:44Должно быть существенно дешевле, хотя бы из-за стоимости материалов даже если нормальную первичную медь и сталь брать вместо отходов (в литиевых кстати самое дорогое совсем не литий, как большинство думает, а никель и/или кобальт которых по массе в них используется в разы больше чем лития).
Но это конкурент не литию, а как правильно выше отметили в первую очередь свинцовым аккумуляторам — низкая удельная емкость (большая масса), но зато дешевые и якобы большое кол-во рабочих циклов. Т.е. для стационарных применений — для источников резервного/бесперебойного питания, буфер для работы совместно с альтернативными источниками энергии (ветряки и солнечные батарей) и подобных применений. Если с удельной мощностью не наврали, то как замена свинцовых стартерных батарей для авто/мото техники тоже должно подойти.
А для мобильных применений не годится из-за низкой удельной емкости: в 5-10 раз хуже чем у литиевых.
u010602
04.11.2016 00:33+3Как-то не привычно просто для 21го века. Вот прям взяли из мыла и палок сделали супер аккумулятор, дешевый, надежный, с быстрой зарядкой. Да еще и напряжение 1в, набирать нужный потенциал одно удовольствие.
Скептик внутри шепчет too good to be true.Robotex
04.11.2016 12:22+1Да это ж всего лишь заголовок такой. Там от мыла только гидроксид калия. А для производства нужна лаборатория и реактивы.
pehat
04.11.2016 01:17+2Имея много мыла, можно (взорвать) зарядить всё что угодно.
ittakir
04.11.2016 09:33+2Оффтопик.
В таких постах хорошо проявляется непреодолимое желание человека принадлежать к какой-нибудь группе, субкультуре. В данном случае, к группе тех, кто смотрел фильм «Бойцовский клуб». Поэтому и плюсуют.
«Ага я помню этот фильм. Он не для тупого быдла. Я умный, я элитарный».
Лучше бы сыпали цитатами из учебника химии.toteKopf
05.11.2016 15:03Вам бы поменьше анализировать поведение других и побольше смотреть за собой ;-) Если меня реально порадовала эта отсылка, но плюсик я поставить не могу. То я пожелал написать об этом и сделал это. И здесь совсем не причем желание принадлежать к какой-то субкультуре, я это давно перерос.
zoonman
04.11.2016 05:56+2В статье не зря указан показатель плотности энергии. Судя по всему, даже аккумулятор эквивалентный смартфонному будет размером с трехлитровую банку.
Хотя, если произойдет коммерциализация проекта, то может быть показатели и улучшатся.
aydahar
04.11.2016 07:06Ну, для смартфона и пол-литровой банки хватит (20Вт*ч/кг же), а вот для ноутбука — да, литра 2-3 :)
Но это всё не важно, т.к. создатели верно указали область применения батареи — системы хранения энергии для зданий. А там массо-габариты не так важны, как надёжность, долговечность и низкая цена.
Я бы с удовольствием поставил дома бочку-батарею на 300-500-1000 л, если бы цена была в несколько раз ниже LiFePo4 аналогичной энергоёмкости.Vjatcheslav3345
04.11.2016 07:53+2Берёте пластиковую ёмкость-бочку (можно б/у купить), едете с ней на пункт втормета, где покупаете медный и стальной лом и укладываете в ёмкость — потом привозите и ставите в подвал дома/на даче; заполняете оставшимися электролитами, водой, заряжаете и тестируете. Потом пишете статью на гиктаймс. Если всё хорошо — к бочке в подвале присоединяются с десяток её товарок а Вы начинаете думать, где взять металл, цемент, кирпич и деньги для устройства стеллажей для бочек в новом месте — погребе, чтобы они лежали там уже в 2-3 слоя: в 20 веке, понимаете ли, в погребе хранили закрутки и картошку — ещё раньше — вино, масло, а в 21 — консервированную энергию, — такие вот времена. Пишете статью на Гиктаймс и начинаете собирать денежки (можно и по краудфандингу) на новый эксперимент — установку на крыше погреба солнечных батарей для подзарядки своего погреба.
BalinTomsk
04.11.2016 08:14+1--на новый эксперимент — установку на крыше погреба солнечных батарей для подзарядки своего погреба.
Помнится в детстве собирал из германиевых диодов, но тут надо несколько тонн где-то найти.
lubezniy
04.11.2016 09:07Зачэм так сложно? Стальная бочка 200л, выстелить изнутри спанбондом (чтобы не было КЗ между медью и сталью, но электролит проходил), накупить медного лома и медного же провода, напаять провода на лом и на проводах же погрузить лом в бочку (провода только соединить между собой — они будут положительным электродом), после чего залить электролитом, и дальше по Вашему сценарию.
lubezniy
04.11.2016 09:17И да. Бочку надо ставить в отдельном помещении со строгим запретом открытого огня: может рвануть.
bundzmm
04.11.2016 09:31А как же анодирование?
Vjatcheslav3345
04.11.2016 10:41Анодирование можно проделать в этой же бочке, потом откачав/слив анодирующий раствор в другую ёмкость или канализацию (если это ПАВ).
Есть ещё одно соображение — сейчас выпускают «жидкую резину» — состав для строительной гидроизоляции им и можно обмазывать стальную бочку внутри и снаружи для защиты от раствора и атмосферной коррозии. Этот состав можно заменить и обычным гидроизоляционным битумом. Но если эксплуатация будет долгой (несколько дестятилетий) — стоит все таки прикупить пластиковые бэушные бочки из под как их нибудь агрессивных химреактивов — из за спецстойких составов пластика они долговечней будут в химически агрессивной среде.
По поводу солнечных батарей: тут есть несколько вариантов — можно их просто купить; а можно, если хочется, сесть и подумать, как заставить работать явление фотоэффекта располагая только всевозможными отходами и техногенным мусором.
На самом деле, можно батареями не ограничиваться — из хлама можно собрать приличный ветряк (особенно если есть в гараже болгарка и дуговая электросварка) — или, опять таки, купить его. Можно проявить фантазию и построить нагреваемую солнцем паровую турбину-генератор на легкокипящих веществах — например на хладонах холодильников и кондеев. (И, разумеется, не следует забывать о дизайне творений — ведь их ещё фотографировать придётся:) — например турбину надо строить в стиле «паропанк»).
Дальше больше — можно масштабировать успешный проект — вырыть на участке небольшой бассейн (типа чуть больше просторной смотровой ямы в гараже) или колодец неглубокий (несколько метров) и, после гидроизоляции, загрузить туда уже не одну тонну стальной и медной стружки.
ittakir
04.11.2016 11:29+1Плескающиеся в баночке 2 электрода явно ни к чему хорошему не приведут. Нужно как-то удерживать окислы на поверхности металлов. Нужна пористая подложка, которая не даст электролиту двигаться. Также не понятно, что будет, когда анодированное покрытие закончится. Аккумулятор при заряде самовосстановится?
Зачем писать сразу про свалку, стиральный порошок и т.п. Лучше бы сделали сначала нормальный аккумулятор из чистых реактивов, измерили его параметры. А потом бы сделали такой же из говна и палок, и обрушили бы акции Тесла.
alexhott
04.11.2016 11:37+1Да уж из отходов и мыла…
а на самом деле нужны качественные медь и железо, да еще и куча сопутствующих процессов —
очистка гальваника.
И электролит на основе гидроксида калия ничего общего со стиральным порошком не имеет, концентрация в 1000 раз и более отличается.
Вот если технологию отладят и сделают хотябы сопостовимой со свинцовыми и дешевле тогда можно говорить.
А так я в детсве еще дешевле делал из картошки оцинковки и медных гвоздей
mrigi
04.11.2016 12:34+1Как-то вилами по воде. Нет пошаговой инструкции под свободной лицензией для самодельщиков, нет видео процесса для наглядности. Какой-то PDF предлагают за $40 купить, а что там — не понятно.
Mad__Max
13.11.2016 00:45О, да они там еще маленько «сжульничали» — массу только электродов учитывали (без учета электролита и емкости в которой все это находится) когда получили свои до 20 Вт*ч/кг. Так что для реальных аккумуляторов можно смело емкость еще раза в 2 делить. Значит в 10-20 раз хуже литиевых по емкости и в 2-3 ниже свинцовых аккумуляторов.
Но с другой стороны заряд-разряд всего за 1 минуту можно делать без быстрой деградации и циклов выдерживают много и дешево в производстве.
В общем это что-то промежуточное по сфере применения между суперконденсаторами (ионисторами) и обычными аккумуляторами.
alexkunin
Наверное, все-таки латунь, а не медь.
LadyN
В оригинале действительно написано про отходы латуни, которые с помощью анодирования превращаются в электрохимически активный оксид меди