Команда Института керамических технологий и систем Фраунгофера (IKTS) в Германии разработала новый тип натрий-ионного аккумулятора, в котором в качестве ключевого материала для электрода используется лигнин – побочный продукт деревообрабатывающей промышленности.
Лигнин является природным полимером, который содержится в деревьях и, по сути, действует как клей, скрепляя древесные волокна и придавая им прочность. В бумажной промышленности он представляет малую ценность и обычно сжигается для выработки энергии. Исследователи увидели потенциал в преобразовании этого отхода в гораздо более ценный продукт – безопасный и экономичный материал для батарей. Путем нагревания лигнина до очень высоких температур его превращают в так называемый «твердый углерод», который затем используется для изготовления отрицательного электрода аккумулятора – анода.
Одним из главных преимуществ использования лигнина является его доступность. Его можно получать на месте во многих частях мира. Так, лигнин для этого исследования был собран в Тюрингенском лесу в центральной Германии, недалеко от самого исследовательского центра. С точки зрения затрат, лигнин определенно выигрывает у таких критически важных металлов, как литий, кобальт и никель, которые дороги, требуют добычи полезных ископаемых и сопряжены с логистическими трудностями.
«Мы хотим избежать использования критически важных металлов в производственной цепочке аккумуляторов, – объясняет Лукас Меденбах, научный сотрудник Fraunhofer IKTS. – Мы также стремимся минимизировать содержание фтора в электродах и электролитах и проверяем, до какой степени мы можем его исключить. Однако основной фокус проекта – это переработка местного, высококачественного лигнина в высокопроизводительные электроды для наших натрий-ионных батарей».
Использование лигнина также помогает сократить выбросы углерода, поскольку его больше не сжигают как отход. Кроме того, такие батареи намного безопаснее и проще в переработке, чем их литиевые аналоги. Положительный электрод аккумулятора, в свою очередь, основан на нетоксичных материалах на основе железа, таких как аналоги «берлинской лазури», которые также широко доступны и экологически безопасны.
Испытания твердого углерода из лигнина продемонстрировали его высокую пригодность для хранения ионов натрия и отличную циклическую стабильность. «После 100 циклов зарядки и разрядки лабораторный элемент не показывает значительной деградации. Цель состоит в том, чтобы к концу проекта продемонстрировать 200 циклов для полноразмерной ячейки емкостью 1 Ач», – отмечает Меденбах.
Хотя разработка еще продолжается, натрий-ионные батареи на основе лигнина могут найти применение в стационарных или мобильных накопителях энергии с невысокими требованиями к мощности. Они идеально подходят для микрокаров с ограничением скорости 45 км/ч и складской техники, такой как вилочные погрузчики, где быстрая зарядка не является критически важной.
