На Сахалине бамбук не курят

В Сахалинском государственном университете освоили технологию производства анодных материалов для аккумуляторных батарей из морской водоросли ламинарии и дикого сахалинского бамбучника. Это местный эндемик, растущий здесь в огромных количествах. Никто не пытался использовать его в таких целях.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

«В каждой батарейке есть "плюс" и "минус",— напоминает Полина Мармаза, инженер-исследователь лаборатории электрохимических источников для возобновляемой энергетики Института естественных наук и техносферной безопасности СахГУ, лаборатория занимается синтезом катодных и анодных материалов.— Катод, если у нас металл-ионный аккумулятор,— то место, где сосредоточен весь металл, например весь литий. А анод — это место, куда он мигрирует. Понятно, что нужно и то, и другое. Мы получаем анодные материалы, используя природные ресурсы Сахалина, в частности морские водоросли или бамбучник сахалинский».

На первом этапе идет добыча сырья. Проще говоря, сотрудники лаборатории собирают на берегу Охотского моря водоросли, которых тут действительно пруд пруди. Или поднимаются на сопку и собирают бамбучник — как его тут ласково называют, бамбучок. Это распространенный вид карликового бамбука. Он растет еще в Японии и на Курильских островах. Но никто прежде даже и не думал его использовать в качестве анодного материала.

Далее все это богатство моют, чистят и сушат. А потом наступает главное таинство — высушенное растительное сырье подвергают пиролизу, чтобы получить углеродный материал.

Пиролиз — это отжиг в инертной атмосфере без доступа кислорода. Если предоставить доступ кислорода, получится просто зола. А зола — это минеральный остаток. Чтобы получить углеродный анодный материал, нужно сохранить углеродную структуру, это и позволяет сделать пиролиз в бескислородной среде.

Но это еще не все. Чтобы получить анодный материал, пригодный для использования в аккумуляторе, пиролизированное сырье сначала измельчают, а затем превращают в специальную пасту. Эту пасту наносят на алюминиевую фольгу, которая служит токосъемником для анода. После сушки и прокатки из полученного слоя вырезают заготовки нужной формы.

Затем эти анодные материалы помещают в корпус тестовых аккумуляторов — так называемых coin cell, «монетных ячеек»,— которые широко используются в лабораторной практике для исследования электрохимических свойств новых материалов. Такие ячейки внешне напоминают батарейки типа «таблетка», знакомые по электронным часам или автомобильным ключам.

В лаборатории нам показывают готовые образцы таких ячеек, с помощью которых проводится тестирование: измеряется удельная емкость, кулоновская эффективность, стабильность в циклах и другие важные параметры.

Преимущество таких анодных материалов в том, что это природное сырье.

«Бамбучок и ламинария просто сами просятся в руки,— смеется Полина Мармаза.— Водоросли море выбрасывает на берег, люди ходят по ним ногами. Бамбучник у нас много где растет.

Это все очень доступные материалы, которые куда проще добывать, чем тот же графит. А именно графит сегодня — самый популярный материал, который используется в качестве анодного для металл-ионных аккумуляторов. Но графит не бесконечен, а природа нам дарит свои богатства».

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В СахГУ собрали и протестировали новые материалы, и оказалось, что они имеют хорошую эффективность. Водоросли тестировали для литий-ионных аккумуляторов, а из бамбучника получили так называемый неупорядоченный углерод, который годится для натрий-ионных аккумуляторов.

Вернемся к тому, как новые электродные материалы в металл-ионных аккумуляторах проходят тестирование — то есть измерение удельной емкости и кулоновской эффективности. Удельная емкость — количество электрического заряда, которое может быть накоплено и отдано материалом в расчете на единицу массы (измеряется в мА•ч/г). Чем выше емкость, тем больше энергии может хранить аккумулятор. Кулоновская эффективность — это отношение заряда, отдаваемого аккумулятором при разрядке, к заряду, полученному при зарядке, выраженное в процентах. Она показывает, насколько эффективно литий (или другой носитель заряда) используется в цикле. В идеале она должна быть 100%, то есть весь металл, принятый в материале при зарядке, должен быть полностью возвращен при разрядке.

На практике этого, понятно, не происходит: часть металла теряется из-за побочных реакций, таких как взаимодействие с электролитом, образование поверхностных пленок и структурные изменения материала. В частности, при первом цикле на поверхности анода формируется так называемый твердый электролитный интерфейс (SEI) — слой, который стабилизирует поверхность, но «запирает» часть лития (или другого металла), делая его недоступным в последующих циклах.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Если часть металла остается в аноде, это создает условия для роста дендритов — древовидных кристаллических образований металлического лития (или другого металла), напоминающих разветвленные иглы или металлические «усы». Дендриты формируются, когда ионы лития восстанавливаются до металлического состояния на поверхности анода и образуют игольчатые выступы вместо равномерного покрытия. Эти металлические образования могут механически пробить полимерный сепаратор батареи, что приводит к внутреннему короткому замыканию, локальному перегреву, тепловому разгону и в крайних случаях к возгоранию или взрыву аккумулятора.

Хорошей кулоновской эффективностью считается значение около 80%. Однако для промышленного применения материал должен демонстрировать кулоновскую эффективность не ниже 95% и сохранять ее в течение большого количества циклов.

Разрабатываемые сахалинскими учеными материалы пока демонстрируют кулоновскую эффективность на уровне 60–70%, что недостаточно для промышленного применения в аккумуляторных системах. Исследователи продолжают работу над улучшением характеристик, проводя модификации состава, включая обработку щелочными растворами, что способствует увеличению удельной емкости и улучшению электрохимических свойств материалов.

Сейчас разработка находится на лабораторной стадии и пока не адаптирована для промышленного производства. Тем не менее такие материалы потенциально могут быть использованы в различных типах аккумуляторных устройств при достижении необходимых эксплуатационных характеристик. Полина, участница исследовательской группы, уверена в их перспективности и надеется, что в будущем на Сахалине появятся электромобили, работающие на аккумуляторах, созданных их командой.

Наталия Лескова Фото Андрея Афанасьева