Команда исследователей под руководством экспертов из частного исследовательского университета Райса, расположенного в Хьюстоне (штат Техас), сообщила об использовании ими более дешевой технологии создания аккумуляторов, которая заменяет использование лития. В инновационном решении используются углеродные материалы уникальной формы — крошечные конусы и диски — с чисто графитовой структурой, что позволяет использовать электрохимические технологии накопления энергии. Исследователи утверждают, что эти необычные формы, полученные с помощью масштабируемого пиролиза углеводородов, могут помочь решить давнюю проблему, связанную с использованием анодов в области аккумуляторов: как накапливать энергию с помощью таких элементов, как натрий и калий. Эти элементы намного дешевле и более доступны, чем литий.

“В течение многих лет мы знали, что натрий и калий являются привлекательной альтернативой литию. Но проблема всегда заключалась в поиске анодных материалов на основе углерода, которые могли бы эффективно накапливать эти крупные ионы”, — сказали авторы этой инновации из Университета Райса. 

Ученые подчеркнули, что в ходе лабораторных испытаний углеродные конусы и диски сохраняли около 230 миллиампер-часов заряда на грамм (мАч/г) с использованием ионов натрия, и даже после 2000 циклов быстрой зарядки они сохраняли 151 мАч/г. Они также хорошо работали с калий-ионными аккумуляторами, но эффективность была не такой высокой, как с натриевыми.

Как подчеркнули исследователи, традиционные литий-ионные аккумуляторы используют графит в качестве анодного материала. Однако та же структура графита дает сбой, когда речь заходит о натрии или калии. Их атомы просто слишком велики, а взаимодействия слишком сложны, чтобы проникать в плотно упакованные слои графита и выходить из них. Но команда нашла решение этой проблемы. Согласно пресс-релизу университета, они обнаружили, что конусообразные и дискообразные структуры имеют кривизну и расстояние между собой, которые позволяют принимать ионы натрия и калия без необходимости химического легирования (процесс преднамеренного добавления небольшого количества определенных атомов или молекул для изменения свойств) или других искусственных модификаций.

“Мы были удивлены, увидев, насколько хорошо работают эти чистые, изогнутые графитовые структуры. Даже без использования гетероатомов они позволяли осуществлять обратимую интеркаляцию ионов натрия с минимальными структурными нагрузками”, — отметил один из авторов этого исследования.

“Мы считаем, что это открытие открывает новые возможности для разработки анодов аккумуляторных батарей. Вместо того чтобы менять химический состав, мы меняем форму, и это оказывается не менее интересным”, — отмечают исследователи.

Как отмечают ученые из Университета Райса, последствия могут быть самыми разнообразными. Они заявили, что эта технология не только открывает путь к созданию более доступных натрий-ионных аккумуляторов, но и снижает зависимость от лития, который становится все более дорогим, а его источник — сложным с геополитической точки зрения. А поскольку углерод в виде конуса/диска может быть синтезирован из побочных продуктов нефтегазовой промышленности, он представляет собой более экологичный и дешевый способ производства анодов для аккумуляторных батарей.

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials, подчеркивается, что эти чистые графитовые структуры могут быть потенциальными кандидатами на роль анода для следующего поколения аккумуляторов, не содержащих лития, благодаря своей морфологии, которая позволяет осуществлять обратимую интеркаляцию более крупных ионов без структурных изменений.