Ученые создали перезаряжаемую натриевую батарею с помощью дубового листа

Поиск способа создания аккумулятора из натрия, а не лития, принял несколько неожиданный поворот, когда ученые из Университета штата Мэриленд и Национального центра нанонауки и технологии из Пекина обнаружили, что запеченный дубовый лист, наполненный натрием, выступил эффективным отрицательным полюсом для батареи пилотной версии.

Поскольку любой, кто когда-либо делал аккумулятор из лимона (или картофеля) помнит, что делать батарею из органического вещества, безусловно, возможно, и это могло бы сыграть свою роль в разработке работоспособной батареи на натриевой основе.

Натрий теоретически должен содержать больше заряда, чем литий, но на практике он не может выдержать столько циклов заряда и разряда. Одним из камней преткновения был поиск подходящего материала для анода, который совместим с натрием. Графит, который используется в литий-ионных батарей, не подходит, так как ионы натрия имеют гораздо больший ионный диаметр, чем у лития. Можно использовать графен, но он отнимает много времени и дорог в производстве.

Ранние эксперименты включали и другие источники биомассы, такие как торф, банановая кожура, и кожура дыни, но они требуют дополнительной обработки и покрытия.

«Естественная форма листа уже соответствует структуре батареи: малая площадь поверхности, что уменьшает дефекты, много мелких структур, расположенных близко друг к другу, что увеличивает пространство; также внутренние структуры нужного размера и формы, которые будут использоваться с натриевым электролитом», сказал Фэй Шен (Fei Shen), студент работающий над проектом.

Сначала ученые обрабатывают сухой лист, используя пиролиз, выпекая его при 1000 ° C (1832 ° F) в течение одного часа в среде, лишенной кислорода, чтобы выжечь все, кроме основной углеродной структуры. Для того, чтобы удалить другие неорганические примеси, которые могут помешать электрохимическим процессам, они погружают лист в хлороводород на 6 часов.

В результате получается обугленный лист, все еще усыпанный порами на нижней стороне, которая обычно позволяет листу поглощать воду и осуществлять обмен газами. В обугленном состоянии поры листа более чем подходят для поглощения электролита натрия. Слои углерода на плотной внешней части листа приняли вид наслоений наноструктурированного углерода, поглощающего натрий, который несет заряд. В своем обугленном состоянии верхняя часть листа плоская, плотная и пригодна в качестве токоприемной плоскости в процессе электрохимических реакций.

Команда использовала батареи, размером с монету, с натриевыми пластинами в качестве электродов для сравнения, и лист проявил себя как эффективный анод для натриевой батареи, способной хранить 360 мАч на грамм своего веса.

Лист анода был испытан в нескольких циклах и оказался стабильным, сохранив 90 процентов емкости после 200 циклов. Интересно отметить, что эффективность зарядки также остается относительно высокой на уровне около 75 процентов, что ученые приписывают низкому формированию SEI (межфазная граница твёрдого электролита) благодаря малой площади поверхности листа-мембраны.

«Чтобы создать батарею, мы попробовали другие натуральные материалы, такие как древесное волокно», сказал Лянгбинг Ксу (Liangbing Ху), доцент кафедры материаловедения и инженерии и ученый исследовательского центра Университета штата Мэриленд. «Лист предназначен природой для хранения энергии для ее последующего использования, а также используя листья таким образом, можно создать экологичное крупномасштабное хранение энергии».

Ученые также экспериментировали с несколькими листьями, соединенными друг с другом и планируют тестировать различные типы листьев, чтобы найти листья с лучшими свойствами для хранения энергии. Они говорят, что на сегодняшний день у них нет никаких планов по коммерциализации своей идеи.