Метод получения высококачественного углеродного материала для анодов натрий-ионных батарей разработали ученые МГУ и Сколковского института науки и технологий, 12 октября сообщает пресс-служба Сколтеха.

Резко возросшая стоимость сырья для широко используемых литий-ионных аккумуляторов (LIB) заставляет исследователей во всем мире обращать внимание на разработку эффективных натрий-ионных батарей (SIB), которые можно использовать там, где не критичны габариты батареи — это накопители энергии на солнечных и ветрогенераторах и ряд других областей применения.

Однако при этом возникает задача найти другие материалы для анода и катода такой батареи, которые обеспечат эффективность ее работы.

Ранее в Сколтехе предложили для SIB катодный материал с рекордными характеристиками. Теперь уже другая группа ученых из Сколтеха и МГУ предложила и исследовала высококачественный анодный материал, полученный из борщевика. Результаты работы ученые представили в статье «Твердые угли на основе борщевика Сосновского для натрий-ионных аккумуляторов», опубликованной в журнале Batteries.

Борщевик Сосновского — инвазивный вид, активно осваивающий территорию центральной России. Кроме всего прочего, он еще и опасен для человека, вызывая на солнце сильные ожоги кожи у коснувшегося его человека.

В статье исследователи обосновывают свою идею тем, что среди применяемых различных углеродных анодных материалов, таких как мягкий углерод, графен или углеродные нанотрубки и неграфитизируемый углерод, также известный как твердый углерод (HC), последний дает наилучшее сочетание высокой емкости хранения и стабильности при циклировании.

Соавтор статьи Зоя Бобылёва из МГУ рассказала: «Мы подумали: а здорово было бы одновременно избавиться от этого гадостного сорняка и получить что-то полезное взамен. 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».

Руководитель исследования профессор Сколтеха и МГУ Евгений Антипов пояснил: «На сегодня твердый 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».

Структура твердого углерода такова, что он, в отличие от графита, цикл за циклом может внедрять в себя ионы натрия и высвобождать их обратно, практически не теряя в объеме.

Другим его достоинством является сравнительная дешевизна, простота синтеза и утилизации, а также невысокая пожароопасность, а наиболее экологически важным и интересным является синтез твердого углерода из биомассы, рассказал ученый.

Ученые предложили простой метод синтеза, который состоит из стадии предварительной обработки — промывки сырья кислотами для удаления металлических и иных примесей, и последующей карбонизации при 1300 °С.

Ключевыми характеристиками при сравнении анодных материалов являются кулоновская эффективность и удельная емкость. Кулоновская эффективность тем выше, чем меньше энергии при эксплуатации катода тратится на необратимые побочные процессы, ведущие также к износу батареи.

У твердого углерода, изготовленного из борщевика, кулоновская эффективность составила 87%, что находится на уровне лучших материалов этого класса, полученных из другого сырья. По удельной емкости он немного уступает лучшим материалам — 260 мАч/г против 300 у лидеров, но остается конкурентоспособным.

«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 твердого углерода, поэтому мы именно на нем сконцентрировались в своем исследовании. Что касается удельной емкости, вероятно, мы сможем ее повысить в будущем», — надеется Бобылёва.