За последние несколько десятилетий натрий-ионные батареи вызвали значительный интерес благодаря обилию, низкой стоимости и широкой доступности натрия в земной коре. Таким образом, натрий-ионные батареи являются более экономичной альтернативой литий-ионным батареям (которые широко используются, хотя и оказывают значительное воздействие на окружающую среду) и менее зависимы от минеральных запасов. Однако натрий-ионные батареи имеют существенные недостатки, такие как низкая плотность энергии и недостаточное количество циклов заряда-разряда.

«Практически все батареи, используемые как в электромобилях, так и в небольших устройствах, являются литий-ионными. Литий, используемый в этих батареях, а также другие материалы, необходимые для их производства, такие как кобальт, никель и марганец, входят в список критически важных материалов Европейского союза, и необходимо приложить усилия для сокращения их использования», — пояснил доктор Некане Нието . Группа материалов и твердотельных технологий Европейского университета науки и технологий (EHU) ставит перед собой цель разработать натрий-ионные батареи с использованием материалов на основе биомассы.

Батареи состоят из катода (положительного полюса), анода (отрицательного полюса) и электролита, который позволяет зарядам перемещаться от одного полюса к другому, генерируя тем самым электрический ток. Группа EHU проводит исследования по разработке анодов на основе углерода, полученного из отходов биомассы, собранных в ACBC, другими словами, путем превращения отходов в материалы, которые можно использовать в этих батареях. « Наша идея заключается в производстве максимально экологичных батарей », — сказал Ньето.

Кнопочные батарейки

В этом исследовании команда протестировала различные виды биомассы, такие как кофейная гуща, стебли растений, кустарники, включая инвазивные виды, семена и кожура винограда, кукурузные початки и даже компост, изготовленный из биоотходов. « Но из всех них наилучшие результаты показали углеродные материалы, полученные из скорлупы семян подсолнечника », — отметила Нието. После оптимизации этого анода, изготовленного из скорлупы семян подсолнечника, «мы соединили его с несколькими различными катодами в перезаряжаемых батарейках-таблетках, которые содержат в своем составе ванадий, железо и/или титан — элементы, которые не так критичны и используются в меньших количествах в этих материалах », — добавила она.

Учитывая все это, группа провела анализ жизненного цикла, чтобы определить, какая комбинация анода и катода обеспечивает наилучшие характеристики батареи и наименьшее воздействие на окружающую среду. « Мы добились весьма конкурентоспособных результатов по сравнению с описанными ранее. Это перезаряжаемые батареи, изготовленные из скорлупы семян подсолнечника, способные накапливать достаточное количество энергии и выдерживать до 1000 циклов зарядки и разрядки, при этом для каждого применения выбирается наиболее экологически чистая химическая формула катода », — сказал исследователь.

Ньето подчеркнула важность того, что эти батареи были изготовлены «с использованием биоматериалов и компонентов, не входящих в список критически важных материалов». «Хотя это правда, — признала она, — что наши батареи пока не конкурентоспособны по сравнению с литий-ионными, но их можно использовать в качестве дополнительной системы или в небольших устройствах». В настоящее время ведется работа над разработкой более крупных батарей.

Ньето подчеркнул, что «не следует всегда сосредотачиваться на батареях, которые уже есть на рынке . Всегда можно изучить целый ряд подходов и повысить устойчивость, используя отходы, которые в настоящее время не используются. Важно помнить, что нам необходимо искать альтернативы литий-ионным батареям, и что в будущем промышленность сможет использовать различные виды отходов для производства батарей в зависимости от их предполагаемого применения».

Дополнительная информация

Данное исследование является частью докторской диссертации, написанной Некане Ньето-Альваро в группе материалов и твердотельной физики под руководством преподавателя Вероники Паломарес-Дуран и профессора Теофило Рохо-Апарисио из EHU. Часть работы была выполнена в сотрудничестве с группой SUPREN инженерного факультета Бильбао.

В настоящее время Нието является постдокторантом в группе EDGY компании BCMaterials , занимающейся исследованиями в области устойчивых и экологически чистых батарей.

Данная работа финансировалась Министерством науки и инноваций Испании (PID2023-151153OB-I00) и правительством Страны Басков ( IT-1226-19 , IT-1546-22 , IT1554-22 и 334423EIAE GVCV23/05 ).

Библиографическая ссылка

Некане Ньето, Марилена Манчини, Александр Лопес-Урионабарренечеа, Питер Аксманн, Маргрет Вольфарт-Меренс, Майдер Итуррондобейтиа, Теофило Рохо, Вероника Паломарес

Характеристики катода в экологически чистых натрий-ионных аккумуляторах: слоистые оксиды против полианионной химии.

Журнал источников энергии

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.239089