Научные достижения химического факультета
13.10.2022
Ученые МГУ сделали из борщевика материал для аккумуляторов
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).
Ссылка на статью:
Grigorii P. Lakienko, Zoya V. Bobyleva, Maria O. Apostolova, Yana V. Sultanova, Andrey K. Dyakonov,
Maxim V. Zakharkin, Nikita A. Sobolev, Anastasia M. Alekseeva, Oleg A. Drozhzhin, Artem M. Abakumov, Evgeny V. Antipov
Sosnowskyi Hogweed-Based Hard Carbons for Sodium-Ion Batteries
Batteries 2022, 8(10), 131
https://doi.org/10.3390/batteries8100131
Фото: тест-система для аккумуляторов
Автор фото: Александра Кучерова/пресс-служба химического факультета МГУ
