Перспективы электрохимии – от супераккумуляторов для «зелёной энергетики» до алюминиевых ложек — Популярная наука — 7 канал Красноярск

Перспективы электрохимии – от супераккумуляторов для «зелёной энергетики» до алюминиевых ложек


20 января 2021

Андрей Ясинский, к.т.н., доцент кафедры металлургии цветных металлов ИЦМиМ СФУ

— Что изучает электрохимия и для чего нужны высокие температуры?

- С одной стороны, электрохимия… Исторически сложилось так, что под электрохимией понималась область знаний, которая занимается изучением взаимодействия между электрическими процессами и химическими. Но сейчас уже мы знаем, что практически все процессы, так или иначе связаны с электричеством, с электромагнитным взаимодействием. Поэтому термин электрохимия, он сейчас уже включает в себя, гораздо больший круг вопросов. В частности, можно сказать так, что электрохимия занимается изучением поведения электрохимических систем.

Под электрохимической системой понимают систему, состоящую из двух, скажем, пластинок металлов, электронных проводников, которые помещаются в некоторую жидкость, в ионный проводник. И из-за того, что на границах раздела между этим металлом и жидкостью начинают протекать процессы разного рода, электрохимические, окислительно-восстановительные, на концах этих электродов возникают электродные потенциалы и электродвижущая сила. То есть, если простыми словами, это означает, что если мы соединим эти два электрода каким-то внешним проводником, то по этому проводнику начнёт идти электрический ток.

Если мы, например, вставим лампочку, то лампочка загорится из-за того, что через неё проходят электроны. Такая электрохимическая система называется гальванический элемент. Это по сути то же самое, что и в любом телефоне есть аккумуляторы, батарейки — вот это всё гальванические элементы.

С другой стороны, если мы вместо лампочки или любого другого устройства, которое потребляет электроэнергию, поместим источник тока, то обратим процессы, которые происходят в этой электрохимической системе, и это уже будет называться электролизёром. Таким образом, совершая электрическую работу над этой системой, мы сможем увеличивать энергию химических связей и производить какое-либо вещество. Например, выделять металл или синтезировать какие-то вещества. То есть, вот электрохимия, она занимается всем, что связано с электрохимическими системами. Она исследует электродные процессы, что происходит на этих электродах. Она исследует свойства электролитов, то есть, этих жидкостей, где всё это проходит. Она занимается разработкой каких-то прикладных решений, например, батарей или аппаратов, в которых происходит синтез материалов или восстановление металлов. Весь этот круг вопросов, этим занимается электрохимия.

Что касается конкретно высокотемпературной электрохимии, это все те процессы, которые протекают при температурах примерно от 300 до 1000 градусов. Конкретно над чем мы работаем — это электрохимия расплавленных солей — тоже один из разделов высокотемпературной электрохимии. Всем известные примеры, я уже сказал, — это гальванические элементы — аккумуляторы, батарейки. Есть очень много различных классов аккумуляторов: литий-ионные, натрий-ионные, калий-ионные, очень много разных классов, но суть всегда одна и та же. То есть, это такие приборы, в которых энергия химической связи превращается в электроэнергию, совершается электрическая работа.

Пример гальванических элементов: промышленные технологии, например, получение разных металлов. Самый распространённый металл у нас, один из самых распространённых, в быту и в строительстве — это алюминий. Он получается электролизом расплавленных солей. Объёмы — примерно 60 миллионов тонн в год, там даже больше уже, и постоянно увеличивается. То есть, это очень крупное производство, именно электрохимическое производство.

Кроме алюминия есть много других металлов: магний, кальций, натрий, литий, все эти металлы, которые так или иначе имеют промышленное прикладное значение в разных областях, это металлы, которые в основном получают электрохимическим путём. Когда мы сейчас говорим о батарейках, то у нас в голове возникает образ этих маленьких цилиндрических штучек, которые мы вставляем в приборы, но на самом деле вот сам принцип гальванического элемента, он очень хорошо применяется и для других целей. Например, есть возобновляемые источники энергии — энергия ветра, например — это когда дует ветер, приводит в действие турбину и движение переходит в электроэнергию. Так вот, это источники энергии периодического действия. То есть, дует ветер — энергия вырабатывается. Не дует — не вырабатывается. Чтобы скомпенсировать этот недостаток, эти ветровые генераторы, они соединяются с очень мощными батарейками, скажем, аккумуляторами, которые могут накапливать очень большое количество энергии. Когда дует ветер, энергия ветра превращается в электроэнергию и накапливается вот в этом мощном аккумуляторе. Как только ветер перестал дуть, турбины остановились и энергия, которая накопилась в этом аккумуляторе, начинает расходоваться на какие-то дальнейшие нужды. И вот такие аккумуляторы, они, в том числе, могут работать на основе расплавленных солей, то есть высокотемпературные гальванические элементы. Например, то же самое с солнечной энергией может происходить. То есть, когда солнце светит, накапливается энергия в этих аккумуляторах, когда солнце перестаёт светить, энергия расходуется.

— Что такое расплавы солей?

- Соль — это класс химических соединений, т. е. есть разные виды солей: хлориды, например вот на кухне — это хлорид натрия. Т. е. есть хлориды любого другого металла, это тоже соль: калия, лития, меди. Есть фториды, йодиды, бромиды, очень большая группа соединений, она составляет соли. Расплав солей, это, собственно, агрегатное состояние вот этого соединения. Когда мы нагреваем соль до определенной температуры, кристаллическая решетка начинает разрушаться, и если в твердом состоянии сохраняется дальний порядок (т.е. это означает, что существует структура очень упорядоченная, где расположение двух соседних ионов кристаллической решетки можно предсказать на большом расстоянии, как будут идти ионы, дальше выстраиваться), то когда мы повышаем температуру, повышается кинетическая энергия этих частиц, они начинают колебаться с большой скоростью и энергии химической связи уже не хватает, чтобы удерживать это вещество в кристаллическом состоянии — начинает разрушаться кристаллическая решетка, ну и по сути получается жидкость. Жидкость, состоящая из таких кластеров ионов, которые там очень быстро каким-то образом перемещаются, взаимодействуют друг с другом — это расплавленная соль. Конкретно мы работаем в основном с фторидами и хлоридами щелочных металлов, щелочноземельных металлов. Вот самая, наверное, распространенная солевая система в высокотемпературной электрохимии — натрий хлор — калий хлор.

— Где применяются расплавы солей?

- Во-первых, очень широкое применение расплавы солей получили в ядерных реакторах, в атомных электростанциях. И расплавленные соли, ясно, что они применяются в разных металлургических технологиях, электрометаллургических в качестве электролитов, в качестве реакционных сред. Ещё одна область применения — это теплоноситель в разных технологиях. т. е. даже солнечная энергия, есть несколько таких основных способов, как можно солнечную энергию превратить в электроэнергию, т. е. как можно совершать электрическую работу за счет энергии солнечного излучения. Один из таких способов называется «параболические концентраторы солнечной энергии». Это такие огромные установки, которые состоят из большого количества зеркал, которые отражают солнечный свет и концентрируют это солнечной излучение в какой-то одной небольшой области. И в этой области такой некоторый контейнер и в этом контейнере находится и циркулирует жидкость, вот как раз теплоноситель, нагревается примерно до четырехсот градусов, циркулирует. И эта энергия, которая накапливается в этом теплоносителе, передается дальше к парогенератору, водяной пар приводит в действие турбину, вырабатывается электроэнергия. Есть большая группа специалистов, которая говорит, что лучшие теплоносители — это расплавленные соли. Очень много разных фокусов, как можно еще улучшить свойства этих теплоносителей. Например, в небольшом количестве нано порошки добавить, то это очень сильно улучшает теплофизические свойства этих теплоносителей.

— Что такое электрохимические технологии?

- Электрохимическая технология — это некоторый комплекс мер, по сути, направленных на создание конечного продукта. Например, нам требуется жидкий металл, возможно, алюминий. Мы знаем, что алюминий в металлической форме не встречается в природе, он встречается в виде оксидов Аl2О3. Материал называется глинозём, в котором этот оксид алюминия присутствует в больших количествах. Для того, чтобы извлечь алюминий из этого соединения, из оксида, нужна электрохимическая технология. В основном, электролиз — самый простой и доступный способ, как сейчас достать алюминий из его соединения

— Какие высокотемпературные исследования в электрохимии ведутся учеными СФУ?

- В Сибирском федеральном университете наша научная группа занимается решением параллельно нескольких задач. Расскажу вкратце. Одна из задач заключается в том, чтобы создать технологию рафинирования, или отчистки от примесей всяких металлов. В частности, алюминия. Мы разрабатываем новую технологию, которая позволит это делать с гораздо меньшими затратами электроэнергии, чем сейчас, также технология должна быть экологически дружелюбной, так скажем. Эта технология основана на электролизе распада солей. Только это тонкослойный электролиз.

Другая задача — катализаторы, которые используются в разных областях химической промышленности, в двигателях внутреннего сгорания в автомобилях.

Задача этих катализаторов заключается в том, чтобы ускорять химические реакции. Со временем их каталитическая активность снижается, они становятся, как говорится, отработанными. Важная вещь, которую стоит сказать об этих катализаторах, что в них часто активным компонентом, который отвечает за все процессы являются очень драгоценные металлы. Иридий, палладий, то есть это очень дорогостоящие металлы и содержание этих металлов в катализаторах значительно превышает содержание в рудах этих металлов. То есть гораздо выгодней перерабатывать эти катализаторы, чем добывать руду и из нее получать эти металлы. Мы работаем над электрохимической технологией переработки этих катализаторов, как доставать эти ценные компоненты из отработанных катализаторов, при том, чтобы эта технология была еще и малоотходной, экологически чистой — вот такая задача у нас стоит.