O analiză mai atentă a cenușii din cojile de orez arse, stratul exterior dur al boabelor de orez, a dezvăluit o formă de carbon care ar putea aproape dubla densitatea energetică a bateriilor tipice litiu-ion sau sodiu-ion. Această sursă durabilă de carbon „dur”, care surclasează grafitul obișnuit în electrozii bateriilor, a fost descoperită la Universitatea din Michigan.
Aceasta este prima demonstrație a carbonului dur obținut prin combustie. Anterior, se afirma: carbonul dur poate fi obținut numai prin încălzirea biomasei, cum ar fi deșeurile agricole, la aproximativ 1200°C într-un mediu fără oxigen, cum ar fi azotul sau argonul. În loc să importe grafit extras din China sau Mexic, cenușa din coajă de orez ar putea oferi un material intern de calitate superioară pentru fabricarea electrozilor de baterii. Procesul este, de asemenea, mai durabil decât producerea grafitului din biomasă, care trebuie încălzit la 2000°C sau mai mult – producând între cinci și 10 tone de CO2 pentru fiecare tonă de grafit pentru baterii.
Deși majoritatea cojilor de orez ajung la gropile de gunoi, arderea cojilor de orez oferă o sursă de electricitate neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon. Wadham Energy LP din Valea Sacramento din California generează 200 000 de megawați-oră de electricitate pe an prin arderea subprodusului agricol – suficientă energie pentru a alimenta aproximativ 22 000 de locuințe. „CO2 eliberat în timpul arderii cojii de orez provine din același CO2 pe care planta de orez l-a absorbit din atmosferă în timpul fotosintezei, ceea ce face ca electricitatea produsă să fie verde și neutră din punct de vedere al emisiilor de carbon”, a declarat Richard Laine, profesor la U-M de știința și ingineria materialelor și știința și ingineria macromoleculară și coautor al studiului publicat recent în Advanced Sustainable Systems.
Cu aproximativ 20 de miliarde de kilograme de orez cultivate anual în Statele Unite, există suficient spațiu pentru a crește.
În lucrări anterioare, echipa de cercetare a demonstrat metode de eliminare parțială a siliciului din cenușa din coajă de orez, care conține aproximativ 90% siliciu și 10% carbon. Siliciul respectiv poate fi utilizat pentru a produce siliciu de înaltă puritate utilizat în celulele solare sau semiconductori. Odată ce siliciul este parțial eliminat din cenușa din coajă de orez printr-un proces numit depolimerizare, cenușa rămasă conține aproximativ 60-70% carbon. Se credea că ceea ce rămânea este lipsit de formă și dezorganizat, un material numit carbon amorf, pe baza modelelor realizate de razele X care strălucesc prin material. Tehnicile de spectroscopie specializate pentru detalii la nivel molecular au scos la iveală mici insule de grafit care există la scară nanometrică (pentru scară, un nanometru este o miliardime de metru) în cadrul matricei de carbon amorf. Acest amestec de carbon amorf presărat cu grafit se numește carbon dur. „Carbonul dur poate fi produs prin combustie în acest caz, deoarece pe măsură ce arzi carbonul din cojile de orez, creezi o coajă de siliciu în jurul carbonului rămas și îl coci ca pe o plăcintă”, a declarat Laine.
La testarea proprietăților electrochimice ale carbonului dur obținut din cenușă de coajă de orez, acesta a depășit atât carbonul dur comercial, cât și grafitul ca anod al unei baterii litiu-ion, punctul în care sarcina iese din baterie.
Un gram de carbon dur comercial acceptă suficient litiu pentru a stoca aproximativ 500 de miliamperi-oră (mAh) – o unitate de sarcină electrică adesea utilizată pentru a descrie capacitatea de stocare a bateriei. În schimb, un gram de grafit acceptă aproximativ 370 mAh, ceea ce înseamnă că bateriile cu carbon dur au o densitate energetică cu aproximativ 50% mai mare. Carbonul dur din cenușă de coajă de orez le depășește pe amândouă, cu o capacitate de stocare de peste 700 mAh – aproape dublă față de cea a grafitului. Structura nanoporoasă a carbonului dur izolat este considerată a contribui la creșterea capacității de litiu.
Transformând deșeurile agricole într-un produs valoros, carbonul dur din cenușă de coajă de orez poate contribui la satisfacerea cererii tot mai mari de baterii utilizate în vehiculele electrice și la stocarea energiei regenerabile intermitente, reducând în același timp atât costurile, cât și emisiile.
