Ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) в США разработали инновационные методы преобразования угля в графит, критически важный материал для аккумуляторов электромобилей и систем хранения возобновляемой энергии. Этот проект может не только ускорить переход к экологически чистым технологиям, но и вдохнуть новую жизнь в угольную промышленность, предлагая ей принципиально новое направление.
Графит, используемый в производстве литий-ионных аккумуляторов, является стратегическим материалом для энергетики. Однако природные запасы графита в США крайне ограничены, а импорт зависит от внешних поставок, что угрожает энергетической безопасности страны. В то же время уголь, традиционно ассоциируемый с загрязнением окружающей среды, доступен в избытке и стоит относительно недорого.
Исследовательская группа под руководством Эдгара Лара-Курцио из ORNL разработала процессы, позволяющие превращать уголь и отходы угледобычи в высококачественный графит. Этот подход предоставляет три ключевых преимущества: способствует распространению электромобилей для борьбы с изменением климата, укрепляет национальную безопасность благодаря снижению зависимости от импорта и открывает новые возможности для экономического развития в регионах, зависимых от угледобывающей отрасли.
Ключевая инновация ORNL заключается в разработке процесса, который требует гораздо меньших энергозатрат по сравнению с традиционным методом производства графита, изобретенным в XIX веке Эдвардом Гудричем Ачесоном. Традиционный метод предполагает нагрев углеродных материалов до 4000 градусов по Фаренгейту (более 2200 градусов по Цельсию), тогда как в ORNL графит получают при температуре всего около 815° С.
Процесс начинается с нагрева угля в безкислородной среде, что предотвращает его сгорание и позволяет выделить два продукта: угольную жидкость и угольный углерод. Полученные материалы обрабатываются в специальном электрохимическом реакторе, где уголь превращается в графит. Этот метод исключает выбросы углекислого газа и отходы, обеспечивая экологическую чистоту производства.
Результаты исследований впечатляют: батареи, созданные с использованием графита из угля, демонстрируют долговечность, сопоставимую с коммерческими аналогами. Кроме того, анализ показал, что новый метод производства графита обходится на 13% дешевле традиционных подходов.
Примечательно, что метод ORNL позволяет использовать даже отходы угледобычи, включая угольную пыль и материалы, загрязненные неорганическими веществами. Это не только решает проблему утилизации отходов, но и способствует экологической реабилитации старых шахт.
«Мы доказали, что уголь, который традиционно считался источником загрязнения, может стать важным элементом экологически чистых технологий», — подчеркнул Лара-Курцио.
Уже сейчас ORNL работает над дальнейшим масштабированием процесса. Исследователи увеличили объем производства графита с нескольких граммов до полкилограмма за один цикл, продолжительность которого составляет 4,5 часа. Планируется еще больше сократить это время, что снизит себестоимость и ускорит внедрение технологии на промышленный уровень. Использование угля для производства графита открывает новые горизонты для чистой энергетики, сохраняя при этом экономическую и социальную значимость угольной промышленности.
Ранее ученые нашли способ увеличить плотность энергии батарей.
