- Источник:
- Arterra Picture Library / Alamy
Российские ученые из МГУ и Сколтеха сделали из ядовитого сорняка высококачественный углеродный материал для анодов натрий-ионных батарей. Он сможет заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии на солнечных и ветрогенераторах и в других случаях, где компактность не важна. Работа в журнале Batteries.
Твердый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства.
— Борщевик никто еще не пробовал. А оказалось, что он неплохо подходит, — рассказывает соавтор статьи Зоя Бобылева из МГУ им. М.В. Ломоносова.
Борщевик Сосновского — агрессивно распространяющийся сорняк, который вдобавок вызывает ожоги. Его завезли в центральную часть России с Кавказа в качестве корма для скота, но растение оказалось ядовитым. Согласно недавнему прогнозу ученых из Сколтеха, к середине XXI века борщевиком 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 вредно для экологии.
У натрия этих проблем нет, но для перехода на него придется заменить материалы катода и анода батареи. И группа исследователей из Сколтеха и МГУ получила высококачественный анодный материал из весьма неожиданного сырья.
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 — низкая стоимость, простота синтеза и утилизации, 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 изнашивают батарею. Твердый углерод из борщевика продемонстрировал кулоновскую эффективность 87%, что ставит его в один ряд с лучшими материалами этого класса.
«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».
Коллектив протестировал три популярных подхода к синтезу твердого углерода. Сначала борщевиковую биомассу подвергли прямой карбонизации — 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.
