Ученые МГУ совместно с коллегами из Сколтеха сделали из борщевика высококачественный углеродный материал для анодов натрий-ионных батарей. По мере совершенствования материалов этот инновационный вид аккумуляторов может заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии на солнечных и ветрогенераторах и в других применениях, где компактность не играет определяющую роль. Работа опубликована в журнале Batteries.
«Мы подумали: а здорово было бы одновременно избавиться от этого гадостного сорняка и получить что-то полезное взамен. Твёрдый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и прочих, но вот борщевик никто ещё не пробовал. А оказалось, что он неплохо подходит», — указала соавтор статьи Зоя Бобылёва (факультет наук о материалах МГУ, химический факультет МГУ).
Борщевик Сосновского — агрессивно распространяющийся сорняк, вызывающий ожоги. Его завезли в центральную Россию с Кавказа в ходе сельскохозяйственного эксперимента, чтобы кормить скот, но идея не прижилась. Зато прижился борщевик, да настолько, что, согласно опубликованному весной прогнозу учёных «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, придётся заменить материалы катода и анода батареи. И вот, группа исследователей из МГУ и Сколтеха получила высококачественный анодный материал из весьма неожиданного сырья.
«На сегодня твёрдый углерод обеспечивает лучшее сочетание свойств для изготовления анода натрий-ионного аккумулятора. 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 объём материала не сильно изменяется. Другие достоинства – сравнительная дешевизна, простота синтеза и утилизации и невысокая пожароопасность», – пояснил руководитель исследования профессор Евгений Антипов (химический факультет МГУ, Сколтех).
Две ключевые характеристики для сравнения анодных материалов – кулоновская эффективность и удельная ёмкость. Чем выше первый показатель, тем меньше энергии при эксплуатации катода будет тратиться впустую на необратимые побочные процессы, которые к тому же изнашивают батарею. Изготовленный учёными твёрдый 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 ёмкости, 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 цветёт и пахнет. Но надо сказать, что именно из летних образцов получился материал с более высокой кулоновской эффективностью, а этот показатель – слабое место анодов из твёрдого углерода, поэтому мы именно на нём сконцентрировались в своём исследовании. Что касается удельной ёмкости, вероятно, мы сможем её повысить в будущем», – добавила Зоя Бобылёва.
Ученые протестировали три популярных подхода к синтезу твёрдого углерода. Сначала борщевиковую биомассу подвергли прямой карбонизации, то есть нагреву до 1300оС 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 ёмкость материала во всех трёх 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 соавтор исследования профессор Артём Абакумов (Сколтех).
