рук. Султанова Я.В., Бобылёва З.В., ХФ МГУ
Самофалов (презентация)
Неграфитизируемый углерод является перспективным анодным материалом для натрий-ионных аккумуляторов (НИА) благодаря высокой удельной ёмкости, циклической стабильности и простоте синтеза. Обширный выбор исходного сырья, включая первичную и вторичную биомассу, делает его особенно привлекательным. В России ежегодно образуется большое количество биоотходов, не имеющих рационального способа утилизации. Именно поэтому материалы на основе вторичной биомассы могут использоваться для энергетических целей, что является одним из путей устойчивого развития планеты.
Целью данной работы является изучение перспективы использования биомассы в качестве источников для синтеза неграфитизируемого углерода в качестве анодного материала для натрий-ионных аккумуляторов.
Задачи:
- Выбрать источники для синтеза углеродного анодного материала для НИА
- Определить зольность полученных источников
- Провести синтез материалов из выбранных источников
- Охарактеризовать морфологию с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ), оценить площадь поверхности с помощью низкотемпературной сорбции/десорбции азота
- Приготовить электроды на основе полученных материалов
- Собрать электрохимические полуячейки (coin cell) и провести их гальваностатическое циклирование
- Обработать полученные данные, сформулировать выводы
Для получения неграфитизируемого углерода были использованы следующие источники: 1. Луковая шелуха; 2. Миндальная шелуха.
На первом этапе работы была определена зольность выбранных источников в соответствии с методикой, описанной в госте ГОСТ Р 56881- 2016. В результате измерения зольность миндальной кожицы и луковой шелухи составила ~ 1,2 % и ~ 1,0 %, соответственно. Данные источники можно охарактеризовать как низкозольные, что делает их потенциальными сырьем для получения неграфитизируемого углерода в качестве анодного материала для НИА.
На втором этапе работы были синтезированы образцы неграфитизируемого углерода из выбранных источников в одну стадию. Одностадийный отжиг проводился в атмосфере аргона при температурах 1000 и 1300˚С в течение 1 часа (с использованием поглотителя кислорода (порошок циркония), скорость нагрева – 80°С/час до 400°С с выдержкой 3 часа, затем 200°С/час до 1300 °С). Образцы, полученные прямой карбонизацией, были названы L/M – 1000/1300, где L – образец из шелухи лука, M – образец из кожицы миндаля, 1000/1300 – температура отжига.
После проведения высокотемпературных отжигов были посчитаны выходы материалов. Морфология материалов была изучена на примере образцов, полученных при 1300°C, с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Все образцы характеризуются неоднородностью, можно увидеть, что морфология наследуется от источника. Образцы представлены очень крупными фрагментами неправильной формы.
Для проведения электрохимических измерений изготавливались электроды. На первом этапе изготавливали электродную пасту: образцы неграфитизируемого углерода измельчали в агатовой ступке, после чего смешивали с связующим компонентом — карбоксиметилцеллюлозой натрия (CMC) в соотношении 9:1 и добавляли дистиллированную воду. Затем готовую электродную пасту наносили на алюминиевую фольгу. Затем фольгу с нанесенной пастой Полученную электродную пасту наносили на алюминиевую фольгу, которую затем прокатывали нагретыми до 70 °C вальцами. Из прокатанной фольги вырезали электроды диаметром 15 мм. Каждый электрод взвешивали, после чего сушили в вакууме при 100 °C в течение 12 часов.
В перчаточном боксе, заполненном аргоном, производилась сборка полуячеек (coin cell) с металлическим натрием. В качестве электролита использовали NaPF6 в смеси растворителей 1:1 по объему этиленкарбоната (ЭК) с диэтилкарбонатом (ДЭК). Полученные полуячейки исследовались на потенциостате при плотности тока 25 мА·г-1 в области потенциалов 0,02-2 В.
В качестве основных электрохимических свойств исследовали удельную ёмкость и кулоновскую эффективность образцов на первом цикле. Наилучшие электрохимические характеристики демонстрирует материал, полученный из кожицы миндаля при температуре 1300 °C. Однако эти характеристики на данный момент не подходят для коммерческого использования и требуют улучшения за счёт оптимизации синтеза, в том числе введения стадии предварительной обработки.
Литература:
- Dou X. et al. Hard carbons for sodium-ion batteries: Structure, analysis, sustainability, and electrochemistry. Materials Today, 2019, 23, 87-104.
- Thompson M. et al. A review on biomass-derived hard carbon materials for sodium-ion batteries. Materials Advances, 2021, 2, 5881-5905.
- Zhong B. et al. Biomass-derived hard carbon for sodium-ion batteries: basic research and industrial application //ACS nano. – 2024. – Т. 18. – №. – С. 16468-16488.