W naukowym przełomie, który byłby przedmiotem zazdrości samego George'a Washingtona Carvera, naukowcy mogli wymyślić najbardziej genialne jak dotąd zastosowanie orzeszków ziemnych. Ale to nie są popularne rośliny strączkowe, które Carver przerobił na żywność, barwniki i kosmetyki - pakują orzeszki ziemne. Zespół inżynierów chemicznych z Uniwersytetu Purdue opracował fascynujący sposób ponownego wykorzystania orzeszków ziemnych do pakowania anod węglowych, składnika akumulatorów, które przewyższają konkurencyjne akumulatory na rynku.
Orzeszki ziemne do pakowania okazały się niezwykle pomocne w zapewnieniu bezpiecznego przybycia dużych paczek o znikomej wadze. Są jednak diabłem do pozbycia się. Ponieważ zajmują tyle miejsca i są drogie w transporcie, wiele usług związanych z recyklingiem krawężników nie akceptuje orzeszków ziemnych. W rezultacie tylko niewielka część orzeszków ziemnych pakowanych jest odpowiednio poddawana recyklingowi.
Pozostała większość zostaje porzucona na wysypiskach śmieci, gdzie mogą stanowić poważne zagrożenie dla środowiska. Oprócz rozkładania wielu pokoleń, orzeszki ziemne na bazie styropianu (Styrofoam to popularna marka) zawierają chemikalia uważane za rakotwórcze. W odpowiedzi na krytykę tych szkodliwych skutków dla środowiska producenci wprowadzili nietoksyczne, ulegające biodegradacji orzeszki ziemne. Jednak naukowcy z Purdue twierdzą, że ta „zielona” alternatywa może również zawierać potencjalnie niebezpieczne chemikalia, które są używane do „nadmuchania” tych orzeszków ziemnych.
Vilas Pol, profesor nadzwyczajny w Szkole Inżynierii Chemicznej w Purdue i główny autor badania, mówi, że jego inspiracja do projektu przyszła podczas zamawiania materiałów do jego nowego eksperymentalnego laboratorium badawczego. „Dostawaliśmy dużo sprzętu i chemikaliów zawartych w wielu pudełkach, które były pełne pakowanych orzeszków ziemnych, i w pewnym momencie zdałem sobie sprawę, że wszystkie te orzeszki ziemne zostaną zmarnowane”, mówi Pol. „Chcieliśmy zrobić coś, co byłoby dobre dla społeczeństwa i środowiska”.
Baterie litowo-jonowe składają się przede wszystkim z elektrody dodatniej (katody) wykonanej z substancji litowej, elektrody ujemnej (anody) wykonanej z węgla, oddzielającej je membrany polimerowej i płynnej elektrolitu, który może przenosić ładunek przez membranę. Kiedy akumulator się ładuje, dodatnie jony litu przemieszczają się z dodatniej katody na ujemną anodę i są magazynowane na węglu. I odwrotnie, gdy akumulator jest w użyciu, jony litu przepływają w przeciwnym kierunku, wytwarzając elektryczność.
Po wstępnej analizie ujawniającej, że podstawowymi składnikami orzeszków ziemnych są węgiel, wodór i tlen, zespół starał się opracować proces, który mógłby wykorzystać węgiel do stworzenia anody dla akumulatora litowo-jonowego. Ogrzewając orzeszki ziemne w określonych warunkach, zespół był w stanie izolować węgiel, zwracając szczególną uwagę na usuwanie tlenu i wodoru poprzez tworzenie się pary wodnej, aby nie stworzyć produktu ubocznego, który byłby niebezpieczny dla środowiska. Zespół następnie zastosował dodatkowe ciepło do pozostałego węgla, formując go w bardzo cienkie arkusze, które mogą służyć jako anoda dla ich akumulatora.
Zaskakujące jest to, że nowa „upcyklingowana” bateria znacznie przekroczyła oczekiwania naukowców - przechowuje więcej ogólnego ładunku o około 15 procent i ładuje się szybciej niż inne porównywalne akumulatory litowo-jonowe. Okazuje się, że unikalny proces produkcyjny zespołu nieumyślnie zmienił strukturę węgla na ich korzyść. Dalsze badania ujawniły, że kiedy woda została uwolniona ze skrobi, wytworzyła ona małe pory i wgłębienia - zwiększając całkowitą powierzchnię zdolną do utrzymania ładunku litu. Pol i jego koledzy odkryli również, że ich proces zwiększył odstępy między atomami węgla - ułatwiając szybszy ładunek, umożliwiając jonom litu bardziej efektywny dostęp do każdego atomu węgla. „To tak, jakbyś miał większe drzwi do przejścia litu” - mówi Pol. „A ta większa przestrzeń motywuje lit do szybszego poruszania się”.
Oprócz nieodłącznego pozytywnego wpływu ponownego użycia orzeszków ziemnych na środowisko, które w przeciwnym razie tłoczyłyby się na wysypiskach, izolacja czystego węgla z orzeszków ziemnych wymaga minimalnej energii (tylko 1100 stopni Fahrenheita). Natomiast temperatura wymagana do produkcji konwencjonalnego węgla wykorzystywanego do anod akumulatorowych wynosi od 3600 stopni do 4500 stopni Fahrenheita i zajmuje kilka dni, stwierdza Pol.
Naukowcy złożyli wniosek o patent na nową technologię, mając nadzieję na wprowadzenie jej na rynek w ciągu najbliższych dwóch lat, i planują również zbadanie innych zastosowań węgla. „To bardzo skalowalny proces”, mówi Pol. I „te baterie to tylko jedna z aplikacji. Węgiel jest wszędzie.
