12 October 2022, 15:00

Зловредный борщевик превратили в материал для батарей в зелёной энергетике

Зловредный борщевик превратили в материал для батарей в зелёной энергетике

Исследователи из МГУ и «Сколтеха» сделали из сорняка 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.

«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 из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

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. Недавно в «Сколтехе» предложили катодный материал с рекордными характеристиками. В этот раз другая группа исследователей из «Сколтеха» и МГУ 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», — поясняет руководитель исследования профессор Евгений Антипов из Сколтеха и МГУ.

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 Бобылёва

Коллектив протестировал три популярных подхода к синтезу твёрдого углерода. Сначала борщевиковую биомассу подвергли прямой карбонизации, то есть 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 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, руководитель Центра энергетических технологий «Сколтеха».

Работа опубликована в журнале Batteries (IF = 5.94)

Source:  Habr

News article profiles

News article publications

Read also

Предсказаны новые галогениды для солнечной и водородной энергетики
Ученые обнаружили 67 новых соединений галогенов (хлора, брома, фтора и иода), которые потенциально могут существовать в двумерном виде, что открывает широкие перспективы их применения в прикладных задачах, например, при создании приборов для преобразования солнечной энергии. Проанализировав эти вещества, авторы выяснили, что некоторые из них способны извлекать из воды водород под действием солнечного света. Водород — перспективное топливо для «зеленой» энергетики, и обнаруженные соединения позволят удешевить его получение в три раза.
"Green" chemistry
Energy industry
Materials Science
18 March 2024
Новый класс материалов ускорит разработку безопасных аккумуляторов
Химики нашли новый класс материалов, который сможет ускорить разработку мультивалентных металл-ионных аккумуляторов. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, такие накопители будут безопаснее в эксплуатации и значительно дешевле.
"Green" chemistry
Chemical technology
Materials Science
18 February 2024
Полимерный слой позволяет защитить аккумуляторы от возгорания
Ученые обнаружили, что слой полимера, нанесенный между слоями фольги и катодного вещества в литий-ионном аккумуляторе, позволяет предотвратить его возгорание или взрыв. Предложенный авторами полимер проводит электричество, но, как только напряжение становится выше, чем то, на которое рассчитан аккумулятор, соединение окисляется и перестает проводить ток. Благодаря этому аккумулятор, использующийся в смартфонах и электромобилях, не перегревается и абсолютно не способен самовозгораться.
"Green" chemistry
"Green" technologies
Electrochemistry
Polymer Chemistry
11 December 2023
Усовершенствован анализ качества растворителей литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение в нашей жизни: от бытовой техники и электромобилей до накопителей энергии в системах жизнеобеспечения труднодоступных районов. Они хорошо зарекомендовали себя в работе, имея высокую плотность энергии и низкий саморазряд. В достижении наилучших характеристик аккумуляторов огромную роль играет состав раствора электролита. Ученые МФТИ и ОИВТ РАН разработали более быстрый и надежный метод проверки состава на молекулярном уровне, который может обеспечить максимальный КПД.
"Green" chemistry
"Green" technologies
Electrochemistry
Molecular modeling
19 October 2023
Производство германиевых анодов для батарей станет проще и дешевле
Помочь в этом способен новый экологичный способ синтеза композиционных материалов из высокорастворимого оксида неметалла
Composites
Electrochemistry
Materials Science
New techniques
21 June 2023
Композиты из сосновой коры стали основой для суперконденсаторов
Они очень пористые и хорошо накапливают электрический заряд
"Green" chemistry
Bioenergy
Composites
Materials Science
26 January 2023