Исследователи из МГУ и Сколтеха сделали из назойливого ядовитого сорняка высококачественный углеродный материал для анодов натрий-ионных батарей. По мере совершенствования материалов этот инновационный вид аккумуляторов может во многих случаях заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии. Об исследовании сообщила пресс-служба Сколтеха.
«Твердый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и проч., но вот борщевик никто еще не пробовал. А оказалось, что он неплохо подходит», — говорит один из авторов исследования Зоя Бобылёва из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Борщевик Сосновского — сорное растение с крупными листьями, трубчатыми стеблями и характерными белыми зонтиками. Оно было описано в 1940-х годах и тогда же целенаправленно завезено с Кавказа в центральную часть России в качестве экспериментальной кормовой культуры. Довольно быстро выяснилось, что борщевик токсичен и вызывает ожоги, и от него отказались. Но неприхотливое растение стало успешно распространяться в диком виде. Оно не боится жары, холода, засухи, тени, растет на любой почве и успешно вытесняет другие виды. При ухудшении условий борщевик может годами задерживать цветение, а потом всё-таки выдать свои в среднем 20 тысяч семян. Согласно опубликованному весной прогнозу учёных из Сколтеха, к середине столетия им может зарасти вся европейская часть России.
Натрий-ионные батареи — альтернативная безлитиевая технология накопления энергии. Цены на литий неуклонно растут, добывается этот металл в ограниченном числе стран, и его производство достаточно вредно для экологии. У натрия этих проблем нет, но чтобы перейти на него, придется заменить материалы катода и анода батареи. Недавно в Сколтехе предложили катодный материал с рекордными характеристиками. В этот раз другая группа исследователей из Сколтеха и МГУ получила высококачественный анодный материал из борщевика.
«На сегодня твердый углерод обеспечивает лучшее сочетание свойств для изготовления анода натрий-ионного аккумулятора, — поясняет руководитель исследования профессор Евгений Антипов из Сколтеха и МГУ. — Этот материал представляет собой аморфную форму углерода, которая даже при сильном нагреве не переходит в графит. В отличие от графита, у этого вещества такая структура, что оно может цикл за циклом внедрять в себя ионы натрия и высвобождать их обратно, что необходимо для работы аккумулятора, при этом объем материала не сильно изменяется. Другие достоинства — сравнительная дешевизна, простота синтеза и утилизации и невысокая пожароопасность».
Две ключевые характеристики для сравнения анодных материалов — кулоновская эффективность и удельная емкость. Чем выше первый показатель, тем меньше энергии при эксплуатации катода будет тратиться впустую на необратимые побочные процессы, которые к тому же изнашивают батарею. Изготовленный учеными из МГУ и Сколтеха твердый углерод из борщевика продемонстрировал кулоновскую эффективность 87 %, что ставит его в один ряд с лучшими материалами этого класса, полученными из другого сырья. По второму ключевому показателю, удельной емкости, он уступает материалам-лидерам — 260 против 300 мАч/г — но в целом конкурентоспособен.
«Если быть точнее, то мы рассмотрели отдельно зимний борщевик, который проще собрать, и более зловредный летний борщевик, который цветет и пахнет. Но надо сказать, что именно из летних образцов получился материал с более высокой кулоновской эффективностью, а этот показатель — слабое место анодов из твердого углерода, поэтому мы именно на нем сконцентрировались в своем исследовании. Что касается удельной емкости, вероятно, мы сможем ее повысить в будущем», — добавила Зоя Бобылёва.
Коллектив протестировал три популярных подхода к синтезу твердого углерода. Сначала борщевиковую биомассу подвергли прямой карбонизации, то есть нагреву до 1300 градусов Цельсия в бескислородной атмосфере. Потом синтез повторили, но с предварительной промывкой сырья кислотами для удаления металлических и иных примесей — в результате кулоновская эффективность материала повысилась. Наконец, борщевик сварили в закрытом реакторе с водой, что позволило получить углеродосодержащие сферы очень малого размера. Удельная емкость материала во всех трех случаях получалась сходной, а наивысшая кулоновская эффективность достигается во втором случае.
«Спрос на перезаряжаемые аккумуляторы будет расти. Если говорить о стационарных батареях, применяемых в промышленности или для выравнивания колебаний при генерации энергии солнечными батареями и ветряками, то натрий-ионная технология выглядит очень перспективно. Такие батареи будут значительно дешевле литий-ионных, и хотя по массе и габаритам они будут проигрывать, это не всегда важно — зависит от применения», — подытожил профессор Артём Абакумов, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха.
Работа опубликованав журнале Batteries.