Анод из сорняка

19.10.2022

Источник: СТИМУЛ, 19.10.2022, Алексей Андреев

---

Исследователи из МГУ и Сколтеха сделали высококачественный углеродный материал для анодов натрий-ионных батарей из сорного растения — борщевика. Этот инновационный вид аккумуляторов может заменить более дорогие литий-ионные накопители энергии в тех сферах, где размеры не имеют принципиального значения, к примеру в альтернативной энергетике

В качестве анодного материала исследователи из Сколтеха и МГУ решили попробовать неожиданный вариант — борщевик Сосновского

Твердый углерод для анодов натрий-ионных аккумуляторов можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и так далее, — но борщевик в качестве материала для электродов использован впервые.

Один из самых распространенных видов аккумуляторов — литий-ионные. Такие батареи используются в портативной электронике, входят в состав гибридных энергетических установок электромобилей, применяются на железнодорожном, водном и воздушном транспорте, в космической и военной технике. Они аккумулируют энергию, вырабатываемую альтернативными источниками (солнечные батареи, ветрогенераторы и так далее), выполняют функцию накопителей для сглаживания пиков нагрузки в энергосистемах и регулирования частоты напряжения электростанций и электросетей, служат мобильными аварийными источниками питания для грузового автотранспорта, источниками бесперебойного питания для особо важных объектов (метрополитены, аэропорты, железные дороги, больницы, центры хранения данных).

Литий-ионные аккумуляторы остаются лидерами по емкости и долговечности, они легкие и быстро заряжаются. Но один из их серьезных недостатков сейчас — проблемы с литием. Из-за роста выпуска автомобилей в мире возник дефицит этого металла, причем со временем он будет только расти: в ближайшие годы значительного увеличения добычи не планируется. Стоимость лития выросла почти до 70 тыс. долларов за тонну, побив абсолютный рекорд. В июле прошлого года он стоил в шесть раз меньше. Кроме того, литий химически очень активен и пожароопасен, а его производство наносит большой вред окружающей среде.

Альтернативой литию может стать его сосед по таблице Менделеева, расположенный на одну клетку ниже, — щелочной металл натрий. Аккумуляторы Na-ion и Li-ion работают по одинаковому принципу: они состоят из анода и катода, разделенных электролитом, через который перемещаются ионы, соответственно, натрия или лития. Во время разрядки ионы металла движутся к катоду, а электроны — к аноду. При зарядке процессы идут в обратном направлении.

Натрий-ионные аккумуляторы могут производиться на тех же заводах, где сейчас делают литий-ионные накопители, но их изготовление будет обходиться значительно дешевле. Однако, чтобы перейти на натриевые батареи, необходимо подобрать новые материалы катода и анода.

«Необходимость использования других типов материалов катода и анода проистекает из отличий в химии литиевых и натриевых соединений и особенностей их кристаллической структуры, — рассказал “Стимулу” старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов. — Определенную роль играет размерный фактор: ион натрия значительно больше иона лития, и, соответственно, под него нужно подбирать иные соединения, для которых возможно обратимое внедрение/извлечение бóльших по размеру ионов без разрушения структуры. Такие материалы существуют. В частности, целый ряд материалов катода и как минимум два типа материалов анода. Текущие сложности и промедление с их массовым промышленным производством связаны с необходимостью их доработки и оптимизации, поскольку в развитие натрий-ионных аккумуляторов на сегодняшний день было инвестировано несравнимо меньше времени и ресурсов, нежели в литий-ионные аккумуляторы, которые завоевали большинство рыночных и технологических ниш». 

Руководитель исследования профессор Сколтеха и МГУ Евгений Антипов 

АНОД ИЗ СОРНЯКА

В качестве анодного материала исследователи из Сколтеха и МГУ решили попробовать неожиданный вариант — борщевик Сосновского — и добились хороших результатов.

«На сегодня твердый углерод обеспечивает лучшее сочетание свойств для изготовления анода натрий-ионного аккумулятора, — поясняет руководитель исследования профессор Евгений Антипов из Сколтеха и МГУ. — 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 объем материала не сильно изменяется. Другие достоинства — сравнительная дешевизна, простота синтеза и утилизации и 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 к тому же изнашивают батарею. Изготовленный учеными МГУ и Сколтеха твердый 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 емкости, он уступает материалам-лидерам — 260 против 300 мАч/г, — но, как предполагают разработчики, в будущем ее можно повысить.

Коллектив протестировал три популярных подхода к синтезу твердого углерода. Первый — прямая карбонизация борщевиковой массы, то есть нагрев до 1300 °C в бескислородной атмосфере. Второй способ — то же самое, но с предварительной промывкой сырья кислотами для удаления металлических и иных примесей. И по третьему способу 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.

Другая группа исследователей из Сколтеха и МГУ недавно предложила катодный материал для натрий-ионных аккумуляторов

КАТОД — РЕКОРДСМЕН

Другая группа исследователей из Сколтеха и МГУ недавно предложила катодный материал для натрий-ионных аккумуляторов — с рекордными характеристиками. Он представляет собой порошок фторидофосфата натрия — ванадия с особой кристаллической решеткой. Согласно опубликованным в журнале Nature Communications результатам испытаний, изготовленные из нового материала катоды обеспечивают для натрий-ионных накопителей самую большую на сегодняшний день энергоемкость, устраняя одно из препятствий для более широкого внедрения этой безлитиевой технологии. Кроме того, катоды из нового материала могут работать при сравнительно низких температурах, что особенно актуально для России.

«На самом деле и наш материал, и прежний рекордсмен по энергоемкости называются одинаково: фторидофосфат натрия — ванадия, — пояснил Станислав Федотов, соавтор исследования. — Дело в том, что оба вещества состоят из одних и тех же атомов, но соотношение между элементами разное. И кристаллическая решетка отличается. Так называемые слоистые катодные материалы тоже уступают нашему: по энергоемкости значимого преимущества нет, но зато есть по стабильности, а это более долгий срок службы и энергоэффективность. Удивительно, но даже потолок теоретически возможных характеристик прежних материалов ниже, чем экспериментально достигнутые нами показатели с новым материалом — и это существенно».

В России есть несколько групп, занимающихся материалами для натрий-ионных аккумуляторов. За рубежом интерес к ним все больше и больше подогревается — в игру вступают промышленные гиганты, энергетики, производители автотехники. Например, недавно китайская компания CATL заявила о выпуске своего натрий-ионного аккумулятора. Известный стартап Faradion, производящий натрий-ионные аккумуляторы, был куплен индийским энергетическим консорциумом, закрепляя намерения серьезно инвестировать в данный тип аккумуляторов и батарей на их основе и рассматривая их в качестве автономного источника питания.

Как считают разработчики из объединенной группы Сколтеха и МГУ, их технология обладает существенным промышленным потенциалом, о чем свидетельствуют многочисленные патенты и уже созданные прототипы. По словам исследователей, по мере разработки более эффективных материалов конкурентоспособность технологии будет повышаться, и со временем натрий-ионные аккумуляторы смогут заменить литий-ионные, прежде всего в качестве источников питания электробусов и грузовиков на электроприводе, а также в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях.

Борщевик Сосновского

Борщевик Сосновского — крупное травянистое растение высотой в среднем около полутора метров из семейства зонтичных. Естественные места произрастания — горные леса и субальпийские луга Центрального и Восточного Кавказа, Закавказья и Ближнего Востока.

С конца 1940-х годов в Советском Союзе борщевик стали выращивать как силосную культуру для корма крупного рогатого скота, что позволило быстро восстановить сельское хозяйство в послевоенные годы. Однако выяснилось, что растение легко дичает, стремительно встраивается в естественные экосистемы, которые впоследствии полностью разрушает.

Борщевик стал стремительно распространяться по стране и теперь растет практически повсеместно. В России, по некоторым данным, он сейчас занимает порядка миллиона гектаров.

Прозрачный водянистый сок борщевика содержит светочувствительные вещества, которые под действием ультрафиолетового излучения переходят в активное состояние. Эти вещества вызывают серьезные повреждения кожи и слизистых оболочек, причем их воздействие на клеточные структуры идет на уровне ДНК.