Новости химической науки > От ореховых скорлупок к сверхъемкости

Новое исследование позволило ученым из Канады создать гибридный натрий-ионный конденсатор [sodium ion capacitor (NIC)] из скорлупы арахисовых орехов. Новое устройство является промежуточным звеном, которое располагается между обычными ионными аккумуляторами и суперконденсаторами в линейке систем запасания электроэнергии.

Гибридный ионный аккумулятор способен как к электростатическому, так и электрохимическому запасанию заряда, что делает его устройством, обладающим свойствами и традиционных аккумуляторов, и суперконденсаторов.

Как отмечает возглавлявший исследование Дэвид Митлин (David Mitlin) из Университета Альберты, зачастую рабочая производительность аккумуляторов ограничивается дизайном и свойствами катода, поэтому в последнее время осуществляются попытки заменить катоды, обычно применяющиеся в элементах питания, на более характерные для суперконденсаторов.

Митлин добавляет, что такие катоды могут существенно увеличить количество циклов зарядки/разрядки источников питания. Дело в том, что в натрий-ионном конденсаторе ионы адсорбируются на поверхности катода, и это позволяет избежать разрушения электрода, свойственного для ионных аккумуляторов и происходящего из-за абсорбции ионов – переносчиков тока объемом катода. Таким образом, увеличение площади поверхности катодного материала является важным элементом для увеличения производительности устройств, запасающих электроэнергию.

Рисунок из Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c4ee02986k

В таком случае как оболочка арахиса может использоваться в качестве прекурсора катодного материала? Митлин подчеркивает, что это простой и дешевый материал, практически не находящий промышленного применения и чаще всего оканчивающий свою жизнь на свалках. Тем не менее, выбор арахисовой шелухи в качестве сырьевой базы был не случаен – исследователи выяснили, что как внешняя, так и внутренняя части скорлупок от арахисового ореха отличаются важными структурными характеристиками, которые могут позволить применять их и в качестве катодных, и в качестве анодных материалов.

Внутренняя часть скорлупы, обладающая относительной однородностью и состоящая главным образом из лигнина, структурные элементы которого отличаются большой степенью поперечной сшивки, подходит для изготовления слоев графена, способного к интеркаляции больших по диаметру ионов натрия и работы в качестве анода. Основой катода нового устройства стал графеноподобный материал, отличающийся высокой площадью поверхности. Это вещество было получено из внешней оболочки скорлупы арахиса, менее однородной по структуре и состоящей преимущественно из целлюлозы.

Правильный подбор прекурсоров подчеркивается еще и тем, что прототип устройства, оба электрода которого изготавливались из одного и того же материала, демонстрировал весьма низкую производительность. Оптимизированная же система сохраняла 88% своей исходной производительности после 100000 циклов зарядка/разрядка и демонстрировала плотность тока 51.2 А/г – такие характеристики вполне позволяют новой системе соперничать с коммерчески доступными литий-ионными аккумуляторами.

Непростой задачей, которую пришлось решить исследователям при разработке нового устройства, было его совмещение с ионами натрия, так как его радиус превосходит радиус иона Li⁺. Тем не менее, ответ на данный вопрос был найден, и трудности, возникшие при его решении, оправдались – натрий значительно дешевле лития и более прост в обращении.

Специалисты по дизайну и разработке аккумуляторов и конденсаторов высоко оценивают результаты работы канадских коллег, в первую очередь приветствуя использование биоматериалов для создания катода и анода, однако предостерегают, что путь новой разработки от лаборатории до выхода на рынок может оказаться долгим – слишком много факторов необходимо учитывать для организации коммерческого производства «натрий-арахисовых аккумуляторов».

Источник: Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c4ee02986k

метки статьи: #аккумуляторы, #нанотехнологии, #новые материалы, #химия биомассы, #химия поверхности