Технология экологически безопасных аккумуляторов нового поколения

Команда Имперского колледжа Лондона создала технологию, которая может позволить перейти от литий-ионных к натриево-ионным батареям. Получая уголь из лигнина, побочного продукта бумажной промышленности, исследователи улучшили плотность энергии, устойчивость и безопасность натриево-ионных батарей. Результаты, опубликованные в Энергетика и экология, может сыграть значительную роль в глобальном переходе к более экологически чистым источникам энергии.

Предоставлено: Чжэнь Сюй / Имперский колледж Лондона.

Замена литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи обычно используются во многих электрических устройствах, но мировые ресурсы лития стремительно сокращаются, а добыча полезных ископаемых создает большой углеродный след. Натрий-ионные аккумуляторы могут предложить экологически безопасную альтернативу, которая, в случае оптимизации, может использоваться в электромобилях. Однако современные модели еще не соответствуют литиевой энергоемкости и создают определенные риски для безопасности.

Ключ к повышению энергоемкости батарей лежит в материале и конструкции анодов, которые обеспечивают функцию накопления энергии. Несмотря на их сверхвысокую теоретическую емкость, необходимы дальнейшие исследования, чтобы раскрыть потенциал батарей, изготовленных с металлическими натриевыми анодами, и устранить риски, связанные с высокореактивной природой этого материала.

Группа Titirici из Департамента химического машиностроения взялась за эту задачу и разработала решение, заменив объемные металлы в натриевых батареях на угольные маты на основе лигнина, осажденные натрием.

Автор-корреспондент профессор Магда Титиричи сказала: «Приятно видеть новые возможности использования лигнина в секторе аккумуляторных батарей и его потенциал для разработки новых технологий на основе натрия, которые могут произвести революцию в секторе электромобилей, создав высокоэффективные, безопасные и более экологичные батареи. ».

Прядение паутины

В этом исследовании маты из лигнина производились с использованием процесса, известного как «электроспиннинг», при котором волокна лигнина прядут аналогично тому, как пауки прядут свои сети в природе. Затем волокна были карбонизированы, что привело к появлению многочисленных дефектов в структуре материала. Эти дефекты способствуют равномерному и стабильному отложению металлического натрия, элемента, отвечающего за накопление энергии, что приводит к увеличению энергоемкости.

Электроформование нановолокон лигнина и структура полученных углеродных матов. Предоставлено: Чжэнь Сюй / Имперский колледж Лондона.

Комбинируя металлический натрий со специально подобранным углеродом на основе лигнина, преимущества энергоемкости сохраняются и используются, в то время как риски безопасности, связанные с накоплением дендритов, которые вызывают короткое замыкание батарей, уменьшаются.

Этот процесс также требует меньше тепла для карбонизации лигнина, чем другие методы, что еще больше снижает углеродный след производственного процесса.

Следующие шаги

Натрий-ионные батареи показали огромные перспективы в области энергетики, но их ограниченная энергоемкость до сих пор ограничивала их широкое распространение. Эта новая технология может позволить им заменять литий-ионные батареи в гораздо более широком масштабе, чем это возможно в настоящее время, и использоваться в таких крупных продуктах, как электромобили.

Соавтор Чжэнь Сюй добавил: «Наше исследование показывает большой потенциал натрий-ионных аккумуляторов, которые могут сыграть значительную роль в обеспечении устойчивого развития энергетики будущего. Теперь мы надеемся сотрудничать с промышленностью, чтобы разработать эту технологию в промышленных масштабах и изучить новые области применения натриево-ионных аккумуляторов ».

Теперь команда продолжит отладку технологии, экспериментируя с различными типами клеток и проводя дальнейшие эксперименты.