В Сахалинском государственном университете разработали инновационную технологию производства анодных материалов для аккумуляторных батарей, используя уникальные местные природные ресурсы: морскую водоросль ламинарию и дикий сахалинский бамбучник. Этот эндемик, широко распространенный на острове, ранее не применялся для таких высокотехнологичных целей.
Полина Мармаза, инженер-исследователь лаборатории электрохимических источников для возобновляемой энергетики Института естественных наук и техносферной безопасности СахГУ, поясняет, что любая аккумуляторная батарея состоит из двух ключевых элементов: катода и анода. Катод содержит основной металл, например литий, который в процессе работы аккумулятора мигрирует к аноду. Главная задача их лаборатории — получение анодных материалов из доступных природных ресурсов Сахалина, таких как морские водоросли и сахалинский бамбучник.
Процесс производства начинается со сбора сырья. Сотрудники лаборатории собирают водоросли на побережье Охотского моря, где их изобилие, или бамбучник на сопках, который местные жители ласково называют «бамбучок». Этот распространенный вид карликового бамбука, также встречающийся в Японии и на Курильских островах, до сих пор не рассматривался как потенциальный источник анодного материала.
После сбора сырье проходит тщательную подготовку: его моют, чистят и сушат. Ключевой этап заключается в пиролизе — высокотемпературной обработке высушенного растительного материала в инертной, бескислородной атмосфере. Этот процесс позволяет получить чистый углеродный материал, необходимый для анода, предотвращая образование обычной золы, которая возникла бы при доступе кислорода.
Полученный после пиролиза углеродный материал затем измельчают до состояния порошка, который смешивают с другими компонентами для получения специальной пасты. Эту пасту аккуратно наносят на алюминиевую фольгу, выполняющую функцию токосъемника для анода. После сушки и прокатки полученный слой нарезается на заготовки необходимой формы.
Готовые анодные материалы помещают в небольшие тестовые аккумуляторы, известные как «монетные ячейки» (coin cell). Эти ячейки широко используются в лабораторных условиях для детального изучения электрохимических свойств новых материалов и внешне напоминают батарейки-«таблетки», применяемые в часах или автомобильных ключах.
В лаборатории проводятся всесторонние испытания образцов, в ходе которых измеряются такие важные параметры, как удельная емкость (количество заряда, которое может накопить материал на единицу массы), кулоновская эффективность (отношение отданного заряда к полученному) и стабильность работы материала в многочисленных циклах зарядки-разрядки.
Одним из ключевых преимуществ таких анодных материалов является их природное происхождение и легкая доступность. Полина Мармаза подчеркивает, что водоросли в изобилии выбрасываются морем на берег, а бамбучник повсеместно растет на острове, что делает их легко возобновляемыми источниками сырья.
Это значительно упрощает добычу по сравнению с традиционным графитом, который является наиболее популярным анодным материалом для металл-ионных аккумуляторов, но при этом является невозобновляемым ресурсом, в отличие от даров природы Сахалина.
Исследования в СахГУ показали, что новые материалы, полученные из водорослей и бамбучника, обладают хорошей эффективностью. Водоросли успешно протестированы для применения в литий-ионных аккумуляторах, а из бамбучника получен так называемый неупорядоченный углерод, который пригоден для натрий-ионных аккумуляторов.
Для понимания характеристик материала важны два параметра: удельная емкость и кулоновская эффективность. Удельная емкость — это количество электрического заряда, которое материал способен накопить и отдать на единицу массы (измеряется в мА·ч/г); чем выше это значение, тем больше энергии может храниться в аккумуляторе. Кулоновская эффективность — это отношение заряда, отдаваемого аккумулятором при разрядке, к заряду, полученному при зарядке, выраженное в процентах. Она показывает, насколько эффективно носитель заряда (например, литий) используется в каждом цикле. В идеале это значение должно быть 100%, но на практике оно всегда ниже.
На практике стопроцентная кулоновская эффективность недостижима, так как часть металла неизбежно теряется. Это происходит из-за побочных реакций, взаимодействия с электролитом, образования поверхностных пленок и структурных изменений в материале. В частности, при первом цикле зарядки на поверхности анода формируется твердый электролитный интерфейс (SEI) — слой, который стабилизирует поверхность, но при этом «запирает» часть лития (или другого металла), делая его недоступным в последующих циклах.
Низкая кулоновская эффективность создает условия для роста дендритов — древовидных кристаллических образований металлического лития (или другого металла). Эти дендриты способны механически пробить полимерный сепаратор батареи, что ведет к внутреннему короткому замыканию, локальному перегреву, тепловому разгону и, в крайних случаях, к возгоранию или взрыву аккумулятора.
Для промышленного применения анодный материал должен демонстрировать кулоновскую эффективность не ниже 95%. Показатель около 80% уже считается «хорошим» в лабораторных условиях, но недостаточным для массового использования.
На данный момент разрабатываемые сахалинскими учеными материалы показывают кулоновскую эффективность на уровне 60–70%, что недостаточно для их промышленного внедрения. Исследователи активно работают над улучшением этих характеристик, в том числе путем модификации состава и обработки щелочными растворами, что должно увеличить удельную емкость и улучшить электрохимические свойства материалов.
Несмотря на то, что разработка находится на лабораторной стадии и еще не адаптирована для промышленного производства, эти материалы обладают значительным потенциалом для создания различных типов аккумуляторных устройств при достижении необходимых эксплуатационных характеристик. Полина Мармаза выражает уверенность в перспективности их работы и надеется, что в будущем на Сахалине появятся электромобили, работающие на аккумуляторах, созданных их командой.
