Жидкометаллический аккумулятор заработал при комнатной температуре
Американские ученые создали аккумулятор на основе жидких металлов, разделенных электролитом из органического вещества, который работает при комнатной температуре. В роли анода выступает сплав натрия с калием, а в роли катода — жидкие сплавы на основе галлия. Исследование опубликовано в Advanced Materials.
В 1800 году Алессандро Вольта соединил проволокой цинковую и медную пластины и опустил их в кислоту, получив первый электрохимический источник тока. Расположив поочередно катоды и аноды, разделенные пропитанным электролитом сукном, ученый создал прародитель современных батарей. С тех пор технологии получения электричества из энергии химических реакций значительно развились. Прошедшей осенью химикам, разработавшим ныне широко применяемые литий-ионные аккумуляторы, вручили Нобелевскую премию.
И все же, аккумуляторы с твердыми электродами имеют ряд недостатков, которые можно частично устранить, если заменить анод и катод на жидкие металлы. Аккумуляторы с такими электродами, в отличие от твердотельных, не образуют дендритов, которые могут приводить к короткому замыканию, могут самовосстанавливаться и работают быстрее. Помимо характеристик вроде высокой энергоемкости и большого числа циклов перезарядки, которые уже демонстрировали создатели жидких аккумуляторов, источники тока должны работать при комнатной температуре.
Юй Дин (Yu Ding) и его коллеги из Техасского университета в Остине создали первый в своем роде аккумулятор, который состоит из жидких электродов и электролита и может работать при 20 градусах Цельсия. Учитывая температуры плавления, распространенность элементов в природе, токсичность и давление паров, исследователи выбрали в качестве отрицательно заряженного электрода сплав натрия с калием, а роль катода выполняли сплавы на основе галлия с индием или оловом.
В условиях комнатных температур металлы оставались жидкими, а их растворимость в типичных органических электролитах оказывалась незначительной, препятствуя саморазрядке. Жидкий анод хорошо смачивал материалы в местах контактов с твердыми стальными проводниками электричества. Для лучшего взаимодействия галлиевых сплавов с контактами при выводе электричества, ученые покрыли эти участки слоем золота.
Исследования раздела фаз сплава натрия с калием и органического электролита методом масс-спектрометрии вторичных ионов указали на то, что между ними образуется стабильная двуслойная интерфаза. На протяжении 100 циклов аккумулятор с натриево-калиевым анодом и катодом из сплава галлия и индия стабильно выполнял свои функции. Емкость при этом сохранялась выше 450 миллиампер-час на кубический сантиметр.
По словам авторов, несмотря на относительно высокую стоимость галлия сейчас, их работа показывает возможность создания экологичных аккумуляторов с различными жидкими металлическими электродами. Себестоимость такого электрохимического источника тока можно снизить без значительных потерь в эффективности, заменив индий на более дешевое олово. Исследователи утверждают, что аккумуляторы, в которых в качестве анода будет использован сплав галлия с индием и оловом, смогут вырабатывать электричество даже при отрицательных температурах вплоть до -13 градусов Цельсия.
Больше о химических источниках электроэнергии, их разнообразии и перспективных разработках читайте в нашем материале «Химия и ток».
Алина Кротова
Дихлорметан используют для изготовления кофе без кофеина
Климатологи смоделировали влияние короткоживущих галогенсодержащих веществ на разрушение озонового слоя в тропиках. В результате выяснилось, что антропогенные и природные выбросы этих веществ ответственны за четверть от всего разрушенного за последние 20 лет тропического озонового слоя. И чтобы уменьшить скорость его разрушения, достаточно резко сократить антропогенные выбросы дихлорметана — пишут авторы статьи в Nature Climate Change. 40 лет назад ученые обнаружили над Антарктидой дыру в озоновом слое. Впоследствии оказалось, что возникла она из-за антропогенных выбросов галогенсодержащих органических веществ в атмосферу. В результате в 1985 году была согласована Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 году подготовлен к подписанию Монреальский протокол — дополнение к конвенции, в котором были перечислены конкретные вещества, чьи выбросы нужно было сократить. Большинство вошедших в список веществ были простыми фтор- и хлорсодержащими углеводородами. Эти вещества очень устойчивы — их время жизни в атмосфере исчисляется десятками и сотнями лет. И когда они достигают стратосферы, они выделяют свободные галогены, которые и разрушают озоновый слой. Но благодаря Монреальскому протоколу, озоновый слой удалось сохранить, и сейчас над Антарктидой он постепенно восстанавливается. Но концентрация озона в нижней стратосфере тропических широт все равно постепенно уменьшается. И до сих пор ученые связывали это с изменениями в циркуляции воздушных масс, возникшими из-за выбросов парниковых газов. Но климатологи под руководством Альфонсо Сайс-Лопеса (Alfonso Saiz-Lopez) из Института физической химии «Рокасолано» обнаружили, что эти изменения — не единственная причина уменьшения озонового слоя над тропиками. С помощью компьютерного моделирования с использованием CESM они обнаружили, что около четверти уменьшения концентрации озона вызвано короткоживущими галогенсодержащими веществами, некоторые из которых попадают в атмосферу из-за деятельности химических производств. Одно из этих веществ — дихлорметан — очень популярный органический растворитель. Его используют, например, для экстракции кофеина при изготовлении декофеинизированного кофе. Как показало моделирование изменений в тропической стратосфере, в ближайшие несколько лет антропогенные выбросы хлорсодержащих веществ будут играть все большую роль в разрушении озонового слоя. И к концу XXI века они будут ответственны за 30 процентов всей потерянной концентрации озона. Поэтому авторы статьи пришли к выводу, что деятельность человека, приводящую к выбросам короткоживущих органических веществ, нужно контролировать. И хотя озоновый слой над тропиками все равно продолжит уменьшаться из-за выбросов парниковых газов, меры по контролю позволят значительно замедлить этот процесс. Ранее мы рассказывали о том, что озоновый слой над Антарктидой может временно уменьшиться из-за недавнего извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. А подробно прочитать про историю Монреальского протокола можно в нашем материале «Дыра, которую мы залатаем».