Исследователи из МГУ и Сколтеха сделали из ядовитого сорняка высококачественный углеродный материал, который поможет в производстве натрий-ионных аккумуляторов. Они могут заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии.
Цены на литий неуклонно растут, добывается этот металл в ограниченном количестве стран (месторождения неравномерно разбросаны по миру), а его производство вредно воздействует на экологию. Между тем, литий-ионные аккумуляторы используются в портативной электронике, электромобилях, солнечных и ветряных электростанциях.
Альтернативой литию может стать натрий — куда более распространённый щелочной металл, расположенный на одну клетку ниже в таблице Менделеева. С ним нет таких проблем, как с литием, но, чтобы перейти на него, нужно подобрать оптимальные материалы для катода и анода батарей. В этом году в Сколковском институте науки и технологий (Сколтехе) синтезировали и испытали новый катодный материал с использованием натрия: он обеспечивает энергоёмкость натрий-ионной батареи на 10–15% выше, чем ранее доступные учёным вещества. Теперь другая группа исследователей, из Сколтеха и МГУ, получила высококачественный анодный материал из весьма неожиданного сырья — ядовитого борщевика Сосновского.
«Твёрдый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и прочее, но вот борщевик никто ещё не пробовал. А оказалось, что он неплохо для этого подходит, — рассказывает соавтор опубликованной в журнале Batteries статьи, аспирант Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова Зоя Бобылёва. — Если говорить точнее, то мы рассмотрели отдельно зимний борщевик, который проще собрать, и более зловредный летний, который цветёт и пахнет. Именно из летних образцов получился материал с более высокой кулоновской эффективностью, а этот показатель — слабое место анодов из твёрдого углерода».
Чтобы получить столь необходимый им материал, учёные нагревали биомассу борщевика до 1300 °С в бескислородной атмосфере, промывали сырьё кислотами для удаления примесей, варили его в закрытом реакторе с водой. В итоге был найден оптимальный способ. Изготовленный из борщевика твёрдый углерод показал кулоновскую эффективность 87%, что ставит его в один ряд с лучшими материалами этого класса, полученными из другого сырья. По второму важному показателю, удельной ёмкости, он уступает материалам-лидерам, но в целом конкурентоспособен. А кроме того, учёные надеются повысить этот показатель в будущем.
По словам руководителя исследования, профессора МГУ и Сколтеха, доктора химических наук Евгения Антипова, твёрдый углерод обеспечивает наилучшее сочетание свойств для изготовления анода натрий-ионного аккумулятора. Этот материал представляет собой аморфную форму углерода, сравнительно дешёвую, простую в синтезе и утилизации.
Натрий-ионные накопители энергии — это новая технология, которая всё больше конкурирует с литий-ионными батареями. Прежде всего такие аккумуляторы пригодятся как источники питания для электробусов и грузовиков на электроприводе, а также в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях. Среди других преимуществ — возможность работать при сравнительно низких температурах, что актуально для России.
«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 — всё зависит от применения», — поясняет ещё один соавтор исследования, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха профессор Артём Абакумов.
Оцените материал