Группой ученых химического факультета, факультета наук о материалах МГУ и Сколтеха был разработан метод переработки биомассы в анодный материал для натрий-ионных аккумуляторов (НИА).
Натрий-ионные аккумуляторы — более дешевая альтернатива повсеместно распространенным литий-ионным накопителям заряда вследствие большей распространенности натрия в земной коре. Так же как и в ЛИА, в процессе зарядки устройства катионы щелочного металла внедряются в материал анода и при разряде постепенно протекает обратный процесс.
В ЛИА в качестве анодного материала чаще всего используется графит. Его применение в НИА из-за большего ионного радиуса катиона натрия невозможно, поэтому разработка эффективного анода для такой ячейки является актуальным вопросом современного материаловедения.
Одним из перспективных материалов для изготовления анодов НИА является неграфитизируемый углерод, обладающий высокой емкостью, которая слабо меняется во многих циклах заряда-разряда. В настоящее время эту аллотропную форму получают из полимерных прекурсоров и сахаров.
Сырье, которое может быть использовано для изготовления электродов, должно быть недорогим, распространенным и — главное — возобновляемым. Поэтому многие исследовательские группы уже второе десятилетие пытаются обнаружить растение, биомасса которого могла бы подойти для переработки в анодный материал, однако сталкиваются с проблемой изменения экосистем при организации плантации, где произрастает только одна культура.
Внимание ученых привлекли интродуценты, распространяющиеся быстрее прочих. Они не только мешают сохранению биологического разнообразия, но и зачастую несут как экономические угрозы аграрной промышленности, так и опасны для здоровья птиц и млекопитающих.
Борщевик Сосновского — знакомый всем представитель этого типа растений. Его присутствие ухудшает качество почвы: для ее регенерации требуются тщательная вспашка и высадка топинамбура или химическая обработка, которая не может производиться в населенных районах и водоохранных зонах.
На сегодняшний день борщевик Сосновского уже используется в химической промышленности для получения кормовых добавок, фуранокумаринов, сахара и биоэтанола.
«Идея взять борщевик как источник для производства анодного материала в батарейках нам показалась и интересной, и забавной, а главное — вызовом. Во-первых, подобные работы по получению неграфитизируемого углерода не проводились, во-вторых, борщевик — растение бесполезное, если не сказать, вредное, поэтому нашей исследовательской группе показалось актуальным предложить способ не столько утилизации, сколько применения этого растения уже после утилизации. В-третьих, этой публикацией мы хотели бы привлечь внимание компаний, производящих растительные отходы, пригодные для получения твердого углерода — одного из самых привлекательных анодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов»,— поясняет Зоя Бобылева, один из авторов статьи, сотрудник химического факультета.
Первая стадия может быть осуществлена с помощью гидротермальной или воздушной обработки, причем выбор метода определяет не только микроструктуру образца и его электрохимические свойства, но и его состав. Второй стадией получения неграфитизируемого углерода является сжигание в инертной атмосфере.
Проведенное исследование показало, что наиболее удачным способом получения материала необходимой структуры является воздушная обработка свежих побегов, собранных в летнее время, с последующей отмывкой соляной кислотой и сжиганием в аргоновой атмосфере. Такая схема позволяет получить материал с малым количеством неорганических примесей, высоким ICE — процент количества перешедших электронов из анода в катод и обратно — и стабильными циклическими электрохимическими параметрами полуячеек и полной ячейки с Na3V2(PO4)3 в качестве катодного материала.
Ознакомиться с публикацией подробнее можно по ссылке: Grigorii P. Lakienko et al. Sosnowskyi Hogweed-Based HardCarbons for Sodium-Ion Batteries MDPI batteries 2022, 8(10), 131
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант №17-73-30006).
Все материалы Коммерсантъ www.kommersant.ru