Батарейки из деревьев для электромобилей от финской компании Stora Enso

Поскольку спрос на электромобили стремительно растёт, учёные ищут материалы для создания устойчивых аккумуляторов. Лигнин, вещество, которое делает деревья «деревянистыми», может стать сильным соперником современным батареям. Около восьми лет назад крупный производитель бумаги в Финляндии осознал, что мир меняется. Рост цифровых медиа, падение офисной печати и снижение популярности отправки по почте — среди прочих факторов — означали, что применение бумаги начало неуклонно сокращаться.

Stora Enso в Финляндии называет себя «одним из крупнейших частных лесовладельцев в мире». Таким образом, у компании имется много деревьев, которые используются, например, для производства изделий из дерева, бумаги и упаковки.

Компания наняла инженеров, чтобы изучить возможность использования лигнина, полимера, содержащегося в деревьях. Около 30% дерева составляет лигнин, в зависимости от вида, остальное в основном состоит из целлюлозы. «Лигнин — это «сшиватель» в деревьях, который как бы склеивает волокна целлюлозы вместе, а также делает деревья очень жёсткими», — объясняет Лаури Лехтонен, руководитель подразделения Stora Enso по производству батарей на основе лигнина, Lignode. Лигнин, полимер, содержит углерод. А углерод является отличным материалом для жизненно важного компонента аккумуляторов, называемого анодом. Литий-ионный аккумулятор в телефоне почти наверняка имеет графитовый анод — графит представляет собой форму углерода со слоистой структурой.

Инженеры Stora Enso решили, что они могут извлекать лигнин из отходов целлюлозы, которые уже производятся на некоторых из их предприятий, и перерабатывать этот лигнин для производства углеродного материала для анодов батарей. Фирма сотрудничает со шведской компанией Northvolt и планирует начать производство батарей уже в 2025 году.

Поскольку всё больше и больше людей покупают электромобили и хранят энергию дома, ожидается, что глобальный спрос на аккумуляторы резко возрастёт в ближайшие годы. По мнению Лехтонена, «спрос просто умопомрачительный». В 2015 году ежегодно требовалось несколько сотен дополнительных гигаватт-часов (ГВт-ч) для мировых запасов аккумуляторов, но к 2030 году эта цифра возрастёт до нескольких тысяч дополнительных ГВт-ч ежегодно, поскольку мир отказывается от ископаемого топлива, по данным консалтинговой компании McKinsey.

Кроме того, некоторые материалы для этих батарей токсичны и их трудно перерабатывать. Многие также поставляются из стран с плохой репутацией в области прав человека. Производство синтетического графита, например, включает нагревание углерода до температуры до 3000°C в течение нескольких недель. По данным консалтинговой компании Wood Mackenzie, энергия для этого часто поступает от угольных электростанций в Китае. Идёт поиск экологически чистых материалов для аккумуляторов, которые являются более доступными. Некоторые учёные утверждают, что можно найти их на деревьях.

Как правило, всем батареям нужны катод и анод — положительный и отрицательный электроды соответственно, между которыми текут заряженные частицы, называемые ионами. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития или натрия, например, переходят от катода к аноду, где они оседают, как автомобили на многоэтажной автостоянке, объясняет Джилл Пестана, калифорнийский учёный и инженер по батареям, в настоящее время работающий как независимый консультант. «Основное свойство, которое вы хотите получить от этой парковочной структуры материала, заключается в том, что он может легко поглощать литий или натрий и отпускать их, а также не рассыпаться», — объясняет она. Когда батарея разряжается для питания чего-то вроде электромобиля, ионы возвращаются к катоду после высвобождения электронов — электроны движутся по проводу в электрической цепи, передавая энергию транспортному средству.

Графит, по словам Пестаны, представляет собой «впечатляющий» материал, потому что он так хорошо работает в качестве надёжного анода, который позволяет протекать таким реакциям. Альтернативы, включая углеродные структуры, полученные из лигнина, борются за то, чтобы продемонстрировать, что они справляются с этой задачей. Однако есть несколько фирм, изучающих потенциал лигнина в разработке аккумуляторов, например, Bright Day Graphene в Швеции, которая производит графен — ещё одну форму углерода — из лигнина. Лехтонен превозносит достоинства углеродного анодного материала своей фирмы, который Stora Enso назвала Lignode. Он не раскрывает, как именно компания превращает лигнин в твёрдую углеродную структуру или что это за структура, за исключением того, что этот процесс включает в себя нагрев лигнина, но до температур, далёких от тех, которые требуются для производства синтетического графита. По словам Лехтонена, одной из важных особенностей полученной углеродной структуры является то, что она является «аморфной» или неравномерной. Исследователь сообщает, что такой подход на самом деле обеспечивает гораздо большую подвижность ионов внутрь и наружу.

Быстрая зарядка — ключевая цель разработчиков аккумуляторов для электромобилей. Отдельное исследование углеродных анодов на основе лигнина, проведенное Магдой Титиричи из Имперского колледжа Лондона в Великобритании и её коллегами, предполагает, что можно создавать токопроводящие поверхности, содержащие сложные, неравномерные углеродные структуры с большим количеством дефектов, богатых кислородом. Эти дефекты, по-видимому, повышают реактивность анода по отношению к ионам, переносимым с катода в натрий-ионных батареях, говорит Титиричи, что, в свою очередь, сокращает время зарядки: «Такая токопроводящая поверхность отлично подходит для аккумуляторов».

Вятт Тенхаефф из Университета Рочестера в штате Нью-Йорк также изготовил аноды на основе лигнина в лабораторных условиях. Он говорит, что лигнин «действительно крут», потому что это побочный продукт, который может иметь множество потенциальных применений. В ходе экспериментов он и его коллеги обнаружили, что они могут использовать лигнин для изготовления анода с самонесущей структурой, для которой не требуется клей или токосъёмник на основе меди — обычный компонент литий-ионных аккумуляторов. Несмотря на то, что это может снизить стоимость углеродных анодов, полученных из лигнина, он скептически относится к тому, что они могут конкурировать с графитовыми анодами в коммерческом плане. «Я просто не думаю, что это будет достаточно большое изменение с точки зрения стоимости или производительности, чтобы заменить укоренившийся графит», — говорит он.

Существует также проблема устойчивости. Челси Балдино, исследователь Международного совета по чистому транспорту, говорит, что пока лигнин, используемый для производства анодов, извлекается в качестве побочного продукта в процессе производства бумаги, дополнительные деревья не будут вырубаться для производства батарей. Представитель Stora Enso подтверждает, что в настоящее время весь лигнин, который использует компания, является «побочным потоком процесса производства целлюлозы», и его использование не увеличивает количество срубленных деревьев или объём древесины, используемой для производства целлюлозы. Тем не менее, любой, кто хочет производить аноды из лигнина, должен убедиться, что лесное хозяйство, из которого поступает этот лигнин, также является устойчивым. «Если целлюлозная промышленность не является устойчивой, то сам материал не является устойчивым материалом», — объясняет Пестана. Согласно годовому отчёту Stora Enso за 2021 год, компания «знает , что происхождение всей используемой древесины и на 100% поступает из экологически чистых источников».

Есть, по крайней мере, ещё один способ использования лигнина в батареях, помимо анодов. В апреле группа исследователей из Италии опубликовала статью о своих усилиях по разработке электролита на основе лигнина. Это компонент, который находится между катодом и анодом — он помогает ионам течь между электродами, но также заставляет электроны двигаться по желаемому пути через электрическую цепь, к которой подключена батарея. Другими словами, он не позволяет электронам просто прыгать между электродами.

Можно получить полимеры для электролитов из нефти, говорит Джанмарко Гриффини из Политехнического университета Милана, но он добавляет, что вместо этого было бы полезно найти альтернативные, устойчивые источники. Он объясняет, что идея использования лигнина возникла после того, как он и его коллеги поэкспериментировали с использованием этого материала в солнечных панелях, но результаты оказались несколько неутешительными. «Эффективность солнечных элементов относительно ограничена, потому что лигнин имеет коричневый цвет и фактически поглощает часть света», — объясняет он. В аккумуляторах это не имеет значения. Для производства анодов лигнин подвергают термической обработке, чтобы разбить его на составляющие атомы углерода. Но Гриффини, самопровозглашённый «полимерщик», говорит, что предпочитает использовать его в полимерной форме. Имея это в виду, он и его коллеги разработали гелеобразный полимерный электролит, который способствовал движению ионов в экспериментальной калиевой батарее. «На самом деле получилось очень красиво», — сообщает он.

Коммерческая жизнеспособность всех этих идей ещё предстоит доказать. Однако Титиричи добавляет, что теоретически можно создать батарею, в которой используются полимеры из лигнина в электролите, а также углерод, полученный из лигнина, в аноде. Возможно, будет также возможность даже использовать его для питания деревянных электронных компонентов, описанных в статье, которая вышла ранее в этом году.

Идеальная технология для домика на дереве, верно? Или учёные зашли слишком далеко в использовании древесины?