Группа исследователей из немецкого Института керамических технологий и систем им. Фраунгофера (IKTS) разработала новый тип натрий-ионной батареи, в которой лигнин используется в качестве ключевого электродного материала.
Лигнин — это природный полимер, содержащийся в деревьях. По сути, он действует как клей, скрепляя древесные волокна и придавая древесине прочность. Однако в бумажной промышленности он имеет небольшую ценность и обычно сжигается для производства энергии. Исследователи увидели потенциал в преобразовании этого отхода в нечто гораздо более ценное: безопасный и экономически эффективный материал для батарей.
Хотя ранее уже предпринимались попытки использовать древесные материалы вместо добываемых минералов, это новое исследование демонстрирует значительный прогресс в направлении практического применения. Нагревая лигнин до очень высоких температур, его превращают в то, что ученые называют твердым углеродом, который затем используется для изготовления отрицательного электрода батареи, или анода.
Твердый углерод, получаемый из лигнина, составляет основу электрода батареи Fraunhofer IKTS.
Одним из главных преимуществ использования лигнина является его доступность. Его можно добывать на местном уровне во многих частях мира. В частности, лигнин, использованный в данном исследовании, был собран в Тюрингском лесу в центральной Германии, недалеко от самого исследовательского центра. С точки зрения стоимости, лигнин определенно превосходит по эффективности такие важные металлы, как литий, кобальт и никель, которые дороги, требуют добычи и сопряжены с логистическими трудностями.
«Мы хотим избежать использования критически важных металлов в цепочке создания стоимости батарей. Мы также стремимся минимизировать содержание фтора в электродах и электролитах и проверяем, в какой степени мы можем его исключить. Однако проект в основном сосредоточен на переработке доступного на местном уровне высококачественного лигнина в высокоэффективные электроды для наших натрий-ионных батарей», — объясняет Лукас Меденбах, научный сотрудник Института Фраунгофера IKTS в Арнштадте.
Использование лигнина в батареях также помогает снизить выбросы углекислого газа, поскольку он больше не сжигается в качестве отходов, не говоря уже о том, что такие батареи гораздо безопаснее и проще в переработке, чем литийсодержащие.
Между тем, положительный электрод батареи изготовлен из нетоксичных материалов на основе железа, таких как аналоги прусской сини, которые также широко доступны и экологически безопасны. Прусская синь — это пигмент насыщенного синего цвета, исторически использовавшийся в чернилах и красителях, но современные технологии позволили модифицировать его кристаллическую структуру, создав так называемые аналоги прусской сини, которые подходят для хранения ионов натрия в батареях.
Твердый углерод из лигнина прошел испытания и показал высокую пригодность для хранения ионов натрия, а также отличную циклическую стабильность.
«После 100 циклов зарядки и разрядки лабораторный элемент не демонстрирует существенной деградации. Цель состоит в том, чтобы к концу проекта продемонстрировать 200 циклов зарядки и разрядки для полноразмерного элемента емкостью 1 Ач», — говорит Меденбах.
Хотя разработка натрий-ионных батарей на основе лигнина еще не завершена, они могут использоваться в стационарных или мобильных системах хранения энергии с низким энергопотреблением. Они идеально подходят для микроавтомобилей с ограничением скорости 45 км/ч (28 миль/ч) и складской техники, такой как вилочные погрузчики, где быстрая зарядка менее важна.
