Благодаря введению мелкодисперсного оксида железа в крошечные, высокопористые полые углеродные сферы — метод, разработанный профессором Михаэлем Эльзассером в Зальцбургском университете, — команда из Саарбрюккена добилась очень многообещающих результатов.
Эти результаты представляют собой увеличение емкости хранения с использованием легкодоступных материалов, которые гораздо менее проблематичны с экологической точки зрения. Результаты опубликованы в журнале Chemistry of Materials.
Любой, кто бывал в Зальцбурге, Австрия, знает о моцарткугелях — знаменитых шоколадных шариках с начинкой из марципана и нуги. Эти сладкие лакомства помогают представить себе полые углеродные сферы, разработанные исследователями из Зальцбургского университета и теперь используемые в Саарландском университете для развития технологии литий-ионных батарей. Эти новые материалы, известные как углеродные сферогели, состоят из нанометровых единиц диаметром около 250 нм, обладающих большой площадью поверхности и высокой электрохимической емкостью
«Наша задача состоит в том, чтобы с помощью химического синтеза заполнить внутреннюю полость этих сфер подходящими оксидами металлов», — объясняет материаловед Стефани Арнольд. После первоначальных экспериментов с диоксидом титана, способность которого накапливать и высвобождать ионы лития оказалась относительно низкой, команда переключила свое внимание на оксид железа, широко известный как ржавчина.
«Железо обладает рядом преимуществ: оно широко распространено по всему миру, предлагает — по крайней мере, в теории — высокую емкость хранения и легко поддается переработке», — говорит Арнольд, научный сотрудник Саарландского университета, работающий с профессором Фолькером Прессером, заведующим кафедрой энергетических материалов. Используя масштабируемый метод синтеза на основе лактата железа, команда из Зальцбурга смогла интегрировать различное количество железа в углеродную структуру полых сфер, создав прочные пористые сети с равномерно распределенными наночастицами железа.
«Особенно интересно было то, что емкость хранения — то есть количество электрического заряда, которое может обратимо накапливаться и высвобождаться на грамм активного электродного материала, — продолжала увеличиваться во время использования батареи. Чем больше использовалась батарея, тем лучше она работала», — объясняет Арнольд. Это происходит потому, что элементарное металлическое железо в наночастицах должно сначала прореагировать с кислородом, образуя оксид железа. Этот электрохимический процесс активации происходит не мгновенно, а постепенно. Для заполнения всех полостей в углеродных сферах оксидом железа и достижения максимальной емкости хранения требуется около 300 циклов заряда-разряда.
«Аккумуляторы на основе оксидов» все еще находятся в стадии разработки.
Однако, прежде чем этот механизм можно будет применять в промышленном масштабе, необходимы дальнейшие исследования. Процесс активации необходимо ускорить, чтобы батареи достигали максимальной емкости за меньшее время. Кроме того, в настоящее время в качестве анода используются углеродные сферогели, наполненные оксидом железа; для получения полноценного элемента еще необходимо разработать подходящий катод.
«Мы уверены, что наш подход будет способствовать разработке экологически чистых систем промежуточного хранения для возобновляемых источников энергии», — говорит Фолькер Прессер, который также возглавляет отдел исследований энергетических материалов в INM — Институте новых материалов им. Лейбница в Саарбрюкене. Новый материал также будет протестирован в натрий-ионных батареях, которые уже используются китайскими автопроизводителями. «Эти материалы представляют собой универсальную технологическую платформу, которая позволяет интегрировать широкий спектр веществ в сферогели за один этап синтеза, открывая возможности для многочисленных технологических применений», — добавляет Михаэль Эльзассер.
Новые методы переработки и более устойчивое энергоснабжение.
В рамках проекта EnFoSaar Стефани Арнольд также изучает способы извлечения лития из батарей и то, как следует проектировать батареи будущего, чтобы их можно было разбирать в промышленных масштабах. «Нам нужны эффективные методы переработки и замкнутые системы обращения с материалами, чтобы минимизировать потребление ресурсов и сократить количество отходов в цепочке поставок батарей», — говорит Арнольд.
EnFoSaar — это крупный проект, финансируемый правительством земли Саар за счет 23 миллионов евро из Фонда трансформации Саарланда. Его цель — разработка инновационных подходов к экологически чистому энергоснабжению и содействие трансформации региональной энергетической отрасли и связанной с ней научной среды посредством инновационных, научно обоснованных и практически применимых методологий.
Оригинальная публикация:
Углеродные сферогели с добавлением железа как экологически чистые электродные материалы для высокоэффективных литий-ионных батарей.
Авторы: Саид Борхани, Ле Тхи Тао, Грегор А. Зиклер, Антье Кваде, Майкл С. Эльзассер, Фолькер Прессер, Стефани Арнольд.
