За городом у дорог, водоемов, и даже на приусадебных участках нередко можно увидеть целые заросли борщевика – высокого растения с белыми зонтиками цветов. Опасен он из-за сока, который при попадании на кожу повышает чувствительность к ультрафиолетовому излучению. В результате появляются сильные ожоги. Масштабы распространения сорняка настолько серьезные, что, например, в Московской области и Пермском крае даже введены штрафы для хозяев земельных участков, которые не истребляют его у себя.
Однако сегодня ученые исследуют не только, как эффективно избавляться от этого вредного растения, но и как можно задействовать его в создании полезных разработок. Оригинальный подход предложили специалисты химического факультета Московского государственного университета (МГУ) им. М.В.Ломоносова и Сколковского института науки и технологий (Сколтеха). Они создали из переработанной массы растения материал для натрий-ионных аккумуляторов, которые в будущем могут составить конкуренцию имеющимся сейчас на рынке литий-ионным.
Подробнее об этом порталу наука.рф рассказала автор проекта, научный сотрудник кафедры электрохимии МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидат химических наук Зоя Бобылева.
Несколько задач – одно решение
Литий-ионные батареи – стандартный тип аккумуляторов, широко используемый, в том числе в бытовой электронике, в автомобилях. Однако литий – редкоземельный металл. Как правило, он добывается за рубежом, его запасы ограничены, производство вредит экологии, а цены на продукт постоянно растут.
В числе возможных альтернатив – натрий-ионные батареи. Источников натрия в России хватает, а их добыча не требует значительных ресурсов. Но, чтобы перейти на них, для компонентов батареи нужны элементы с определенными свойствами. В частности, анод (положительный электрод) должен содержать углеродный материал, причем такой, который не будет при нагревании превращаться в графит. Только в таком виде он может с каждым циклом заряда-разряда принимать ионы натрия и высвобождать их обратно, что необходимо для стабильной работы приборов.
«Углеродный материал легко получить из растительной биомассы: первичной – сами растения, и вторичной – отходов пищевых или целлюлозных производств. Мы обратили внимание на первичную – борщевик Сосновского. И таким образом решили сразу несколько задач: показали, как можно избавиться от сорняка и как из доступного сырья сделать перспективные компоненты для электроники», – рассказывает Зоя Бобылева.
Подойдет не только сорняк
Исследования проходили в лаборатории университета в течение пяти лет. Авторы проекта изучали разные источники углеродных материалов. Образцы компонентов из сорняка начали тестировать в прошлом году. Технология производства выглядит так: сначала биомассу измельчают и очищают от механических примесей с помощью растворов кислот или воды. Далее нагревают при температуре 1300 °C. По словам авторов проекта, в процессе важно удалять металлические примеси – чем чище сырье, тем качественнее готовый продукт. В результате получается твердый углерод, подходящий для аккумуляторов в качестве анодного материала.
В ходе экспериментов ученые сделали интересное наблюдение. Они выяснили, что зимние образцы растения, высушенные естественным путем, работают чуть лучше, поскольку сохраняют сухой каркас – лигнин. В то время как в «летних экземплярах» гораздо больше воды, что усложняет процесс обработки.
В числе преимуществ разработки – хорошее сохранение удельной емкости (количества энергии, которую батареи способны накапливать) и высокая кулоновская эффективность. Чем она выше, тем меньше энергии при эксплуатации катода тратится впустую на побочные процессы, изнашивающие батарею.
Сейчас специалисты изучают прототипы новых аккумуляторов. Продолжается работа и с другими вариантами углеродных материалов: авторов проекта также интересует применение пищевых отходов и отходов бумажной промышленности.
Будущее – рядом
Конечно, из-за значительных размеров натрий-ионные аккумуляторы пока вряд ли удастся использовать для компактных устройств, тех же мобильных телефонов. Тем не менее, новые перезаряжаемые батареи будут полезны во многих сферах – от электробусов и электросамокатов до стационарных установок в промышленности.
По словам кандидата химических наук Зои Бобылевой, сейчас нигде в мире нет массового промышленного производства натрий-ионных аккумуляторов. Хотя некоторые стартапы из Китая и западных стран могут к этому приблизиться. Недавно также стало известно, что японские ученые создали прототип кальциевой батареи. С одной стороны, она отличается высоким показателем плотности энергии. С другой – у разработчиков новинки возникают трудности с поиском электролита и катодных компонентов с достаточной способностью накапливать ионы кальция, что тормозит выход устройства на рынок. Сейчас исследователи тестируют компоненты на основе гидридов и сульфида меди.
Пока еще рано говорить о том, где и когда начнут производить аккумуляторы по технологии ученых из московского вуза. Однако несколько российских компаний уже заинтересовались проектом. Кроме того, направление натрий-ионных аккумуляторов отмечено в «дорожной карте» развития накопителей энергии, утвержденной Правительством РФ в 2022 году. Среди драйверов развития отрасли – компании «Рэнера», «ИнЭнерджи», «Россети», КамАЗ. Вполне вероятно, что одна из них займется внедрением новых разработок в обозримом будущем, считает специалист.
Анна Шиховец
