محققان یک زرده تخم مرغ و باقی مانده برنج را تا زمانی که به پودر سیاه پر از سوراخ های ریز تبدیل شد، حرارت دادند و سپس از آن برای ذخیره برق استفاده کردند. آنها آن را 10000 بار شارژ و تخلیه کردند و هنوز 82.26 درصد از کاری را که بار اول انجام داد داشت.

چرا کسی باید زرده تخم مرغ و برنج کهنه را با مواد باتری بپزد؟ به نظر می رسد یک برنامه آشپزی اشتباه شده است. اما مواد تشکیل دهنده بیشتر از چیزی که به نظر می رسد منطقی هستند و نتیجه یک پودر سیاه است که می تواند هزاران بار بار الکتریکی را نگه دارد و آزاد کند.

این کار از یک مطالعه در سال 2023 به رهبری شومنگ کین و همکارانش در دانشگاه هنان و یکی از نویسندگان دانشگاه فودان بدست آمده است.

مرحله ساده است. تخم مرغ و برنج باقی مانده دو مورد از رایج ترین ضایعات غذایی هستند. تخم مرغ سرشار از پروتئین است که به معنی نیتروژن است. برنج سرشار از نشاسته است که به معنای کربن است. اگر چیزی که می خواهید بسازید یک الکترود کربن باشد، هر دو مفید هستند، بخشی از دستگاهی که بار را ذخیره و آزاد می کند.

یک نکته قبل از اینکه جلوتر برویم: ما شیمیدان یا دانشمند مواد نیستیم و هیچ چیز در اینجا خرید مشاوره یا ادعای محصولی نیست که می توانید بروید و تهیه کنید. این یک مطالعه آزمایشگاهی است و ما آن را به عنوان متخصصان کنجکاو می خوانیم، نه اینکه تضمین کنیم که این یک علم است.

کاری که محققین واقعا انجام دادند

دستور پخت دو مرحله ای است. ابتدا، ضایعات مخلوط تخم مرغ و برنج به روشی کنترل شده حرارت داده می شود که بیشتر کربن غیر کربنی را خارج می کند و ذرات زغالی را پشت سر می گذارد. سپس این کربن با هیدروکسید پتاسیم، یک ماده شیمیایی خورنده که با حرارت دادن، کربن پر شده از سوراخ را می خورد، تصفیه می شود. این مرحله دوم چیزی است که یک توده معمولی زغال چوب را به چیزی سوراخ شده با سطح داخلی تبدیل می کند.

بهترین نسخه از مخلوط یک به یک تخم مرغ برای دور ریختن برنج استفاده می کند، نمونه ای که تیم YPAC-1 نامیده است. محققان گزارش کردند که این نمونه “دارای ساختار لانه زنبوری سه بعدی متشکل از ریز منافذ و مزوپورهای فراوان با سطح ویژه بالای 1572.1 مترمربع در گرم 1 است.” این عدد کل نکته است. یک گرم از این پودر، اگر بتوانید تمام دیوارهای داخلی را صاف کنید، چیزی شبیه کف یک آپارتمان بزرگ را می پوشاند. این رقم برای یک نمونه بهینه شده در شرایط خاص است، نه برای هر کربوهیدرات تخم مرغ و برنجی که می توانید بپزید.

چرا سوراخ های کوچک مهم هستند

تمام این مساحت سطح به دلیل نحوه ذخیره انرژی توسط یک ابرخازن مهم است که با نحوه انجام آن توسط باتری متفاوت است.

همانطور که سازنده Knowles در یک پست وبلاگ فنی بیان می کند، “بر خلاف باتری ها، که انرژی را از طریق واکنش های شیمیایی ذخیره می کنند، ابرخازن ها انرژی را به صورت الکترواستاتیک ذخیره می کنند و چرخه های شارژ/دشارژ سریع را امکان پذیر می کنند.” این ساده‌سازی سازنده است، زیرا برخی از دستگاه‌های واقعی نیز شامل مقداری شیمی هستند. اما ایده اصلی این است: یک ابرخازن به جای ایجاد واکنش در اعماق الکترودها، بیشتر بار روی سطح الکترودهای خود جمع می‌کند.

اگر بار روی سطح زندگی کند، سطح بیشتر به معنای بار بیشتر است. لانه زنبوری از منافذ کوچک راهی برای بسته بندی مقدار زیادی از سطح در یک مقدار کوچک پودر است. در همان آزمایش، YPAC-1 شارژ را با نرخ 446.22 فارنهایت بر گرم در 1 A/g ذخیره کرد که یک رقم جامد برای کربن ساخته شده از زباله های آشپزخانه است.

سازش وجود دارد. ذخیره سازی شارژ سطحی نسبت به مواد سریع و ملایم است، اما انرژی کل کمتری نسبت به مواد شیمیایی داخل باتری در خود نگه می دارد. به همین دلیل است که ابرخازن ها ظرف چند ثانیه شارژ و تخلیه می شوند و چرخه های بسیار بیشتری را تجربه می کنند، در حالی که باتری ها انرژی بیشتری دارند اما زودتر فرسوده می شوند. عمر باتری معمولاً در هزاران سیکل کم است، در مقابل برد بسیار طولانی‌تر ابرخازن، اغلب صدها هزار.

تعداد 10000 چرخه

این ما را به آزمون عنوان می رساند. تیم بارها و بارها مواد را شارژ و تخلیه کرد و گزارش داد که “حفظ ظرفیت 82.26٪ پس از 10000 چرخه بود.” پس از ده هزار گلوله بارگیری و تخلیه، باروت هنوز کمی بیش از چهار پنجم شارژی را که در اولین شلیک به دست آورد، نگه داشت.

از دست دادن کمتر از یک پنجم ظرفیت خود پس از این همه چرخه نشانه مناسبی از دوام است. هر چند یک پرچم: این در آزمایشگاه به گونه‌ای اندازه‌گیری شد که رفتار خود ماده را جدا کند. این مانند عمری نیست که از یک دستگاه تمام شده قرار داده شده در تلفن یا اتوبوسی که سایر قطعات آن نیز قدیمی می شوند، بدست آورید. و این یک نتیجه واحد از یک مقاله است، نه یک ویژگی ثابت شده از مواد.

با آن چه باید کرد

جذابیت استفاده از ضایعات مواد غذایی به عنوان یک ماده اولیه با نگاه کردن به مقیاس مشکل به راحتی قابل مشاهده است. سازمان ملل ضایعات جهانی غذا در سال 2022 را 1.05 میلیارد تن اعلام کرده است که بیشترین سهم، حدود 60 درصد، در خانوارها رخ می دهد. ماده خامی که بسیار ارزان و بسیار فراوان باشد، تقریباً برای هر چیزی ارزش یک بار دیگر را دارد، و تبدیل مقداری از آن به کربن برای ذخیره انرژی ایده واقعا جذابی است.

خود نویسندگان آن را به عنوان یک شروع، نه به عنوان یک چیز تمام شده، قاب می کنند. آنها پیشنهاد می کنند که بازیافت این نوع زباله ها به کربن متخلخل به پتانسیل استفاده از ضایعات مواد غذایی مخلوط به عنوان منبعی برای کربن متخلخل اشاره دارد. این کلمه “پتانسیل” ارزش در نظر گرفتن را دارد. این یک نمایش در مقیاس آزمایشگاهی است، و جهش از یک پودر گرم به خوبی نگهداری شده به فرآیند تولیدی که بر سر هزینه، ثبات و ایمنی رقابت می کند، جهشی طولانی است که این مقاله سعی در انجام آن ندارد.

خوانش ما باریکتر از قاب از آشپزخانه تا باتری است. دو ماده یکبار مصرف که به روش صحیح گرم شده بودند، ماده ای را تولید کردند که بار را به خوبی ذخیره می کرد و در یک آزمایش کنترل شده در برابر استفاده مکرر و سنگین مقاومت می کرد. این یک نتیجه واقعی و مبنای منطقی برای ادامه مطالعه است. اینکه آیا هرگز آزمایشگاه را ترک خواهد کرد یا نه، موضوع دیگری است.