Ученым удалось создать твердоуглеродистые электроды для аккумуляторов с использованием неорганических соединений на основе цинка
Специалисты считают натрий ионные и калий ионные аккумуляторы перспективной альтернативой литий-ионным батареям. Но для них нужно решить проблему энергетической плотности. Решением этого вопроса не так давно занимались исследователи из Японии. Они изучали технологию превращения твёрдого углерода в материал для изготовления отрицательных электродов. Учёные использовали неорганические соединения на базе цинка в качестве матрицы во время синтеза. Им удалось получить наноструктурированный твердый углерод. Этот материал продемонстрировал прекрасные характеристики в обоих альтернативных электрохимических системах.
Li-Ion аккумуляторы на сегодняшний день являются наиболее широко используемыми в области электроники электромобилей, возобновляемых источников энергии и т. п. Среди множества перезаряжаемых аккумуляторов этот тип имеет лучшие характеристики. Но и недостатков у них также хватает. Главная проблема в том, что литий является дефицитным материалом и его стоимость постоянно растёт, а доступность снижается. Кроме того, при извлечении лития из земных пород и неправильной утилизации создаются масса экологических проблем. Жидкий электролит, который используется в литий-ионной электрохимической системе токсичен и легко воспламеняется на воздухе.
Среди альтернативных технологий накопления энергии чаще всего называют натриевые (Na)-ионные батареи (NIB) и калий-ионные батареи (KIB). Эти две электрохимические системы быстро развиваются, являются экологически безопасными и эффективными. Специалисты считают, что к концу нынешнего десятилетия производство NIB и KIB должно стать отраслью с оборотом в миллиарды долларов. Исследования и инновации в этой сфере продвигают правительство таких стран, как Австрия, Австралия, США, Германия Гонконг и др. Крупные компании, среди которых TIAMAT SAS, Faradion Limited и пр. вкладывают существенные средства в развитии этой технологии. Некоторые крупные производства в этой сфере должны в ближайшее время представить аккумуляторы NIB для электромобилей.
Пока ещё ёмкость аккумуляторов с электрохимической системой NIB и KIB отстаёт от ёмкости современных литий-ионных АКБ. Поэтому группа учёных под руководством профессора Шиничи Комаба из Токийского университета науки (TUS) ведут разработку новаторских электронных материалов высокой ёмкости для NIB и KIB. В журнале Advanced Energy Materials 9 ноября 2023 года группа ученых сообщила о разработке новой стратегии синтеза наноструктурированных электродов из «твердого углерода» (HC). По их словам они обеспечивают беспрецедентные характеристики. В качестве соавторов этого исследования выступили Дайсуке Игараси, Йоко Танака и Рёичи Татара из TUS, а также доктор Кей Кубота из Национального института материаловедения (NIMS), Япония.
В отличие от прочих форм углерода (графен, алмаз) разработанный HC аморфен. У него нет чётко выраженной кристаллической структуры. Материал имеет высокую прочность и устойчивость к воздействию. В 2021 году профессор Комаба и его коллеги разработали способ использовать оксид магния (MgO) в качестве матрицы при синтезе HC-электродов для NIB. Они делали это путём изменения его окончательной наноструктуры. Процесс привёл к образованию нанопор внутри электродов при удалении MgO. Благодаря этому была увеличена способность хранить ионы Na+.
Теперь исследователи изучили, могут ли полученные соединения из цинка (Zn) и кальция (Ca) использоваться в качестве наношаблонов для электродов из HC. Чтобы это узнать, учёные систематические изучали различные образцы углеводородов, изготовленных с применением оксида цинка (ZnO) и карбоната кальция (CaCO3). Они сравнивали их параметры с образцами, которые синтезировались с применением оксида магния (MgO). Согласно предварительным данным, ZnO особенно перспективен в качестве отрицательного электрода NIB. Исследователи оптимизировали концентрацию ZnO, встроенного в матрицу HC во время синтеза. В результате они продемонстрировали обратимую ёмкость 464 мАч г-1. Это значение соответствует таковому для NaC4,8. Был показан высокий начальный кулоновский КПД 91,7% и низкий средний потенциал 0,18.
Результаты работы получились замечательными. Учёным удалось включить этот мощный электродный материал в реальный аккумулятор. NIB, созданный с использованием оптимизированного HC на основе ZnO в качестве отрицательного электрода, продемонстрировал плотность энергии 312 Вт-ч кг-1. Профессор Комаба говорит, что величина энергетической плотности для выпускаемых настоящее время Li-Ion аккумуляторов с LiFePO4 и графитом больше чем в полтора раза превышает энергетическую плотность первых NIB (192 Вт·ч кг-1). Учёные сообщали об этом ещё в 2011 году. HC на основе ZnO продемонстрировал значительную ёмкость 381 мАч г-1 при включении в KIB. Это еще раз демонстрирует его потенциал.
Авторы исследования считают, что они продемонстрировали перспективность использования неорганических наночастиц в качестве матрицы для управления структурой пор. Это может стать эффективной технологией для разработки HC-электродов. Эти электроды они видят в качестве альтернативы графитным. Такой подход позволит сделать аккумуляторы NIB конкурентоспособными в сфере производства электромобилей, бытовой электроники, солнечных и ветряных электростанций.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
