Используя побочный продукт нефтегазовой промышленности, команда работала с углеродными материалами уникальной формы - крошечными конусами и дисками - с чисто графитовой структурой. Эти необычные формы, полученные с помощью масштабируемого пиролиза углеводородов, могли бы помочь решить давнюю проблему анодов в исследованиях аккумуляторных батарей: как накапливать энергию с помощью таких элементов, как натрий и калий, которые намного дешевле и более широко доступны, чем литий.

"В течение многих лет мы знали, что натрий и калий являются привлекательными альтернативами литию", - сказал автор-корреспондент Пуликель Аджаян, профессор инженерных наук Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон в Rice. "Но проблема всегда заключалась в поиске анодных материалов на основе углерода, которые могли бы эффективно накапливать эти более крупные ионы".

Разрушение графитового барьера

Традиционные литий-ионные аккумуляторы используют графит в качестве анодного материала. Однако та же самая структура графита выходит из строя, когда дело доходит до натрия или калия. Их атомы просто слишком велики, а взаимодействия слишком сложны, чтобы входить и выходить из плотно упакованных слоев графита.

Но, переосмыслив форму углерода на микроскопическом уровне, команда нашла обходной путь. Конусообразная и дискообразная структуры обеспечивают кривизну и расстояние между ними, которые позволяют принимать ионы натрия и калия без необходимости химического легирования (процесс преднамеренного добавления небольших количеств определенных атомов или молекул для изменения их свойств) или других искусственных модификаций.

"Мы были удивлены, увидев, насколько хорошо работают эти чистые, изогнутые графитовые структуры", - сказал первый автор Атин Праманик, научный сотрудник лаборатории Аджаяна. "Даже без гетероатомов они допускали обратимую интеркаляцию ионов натрия и делали это с минимальным структурным напряжением".

Долговечный, масштабируемый и экологичный

В лабораторных тестах угольные конусы и диски сохраняли около 230 миллиампер-часов заряда на грамм (мАч/ г) с использованием ионов натрия, и они по-прежнему сохраняли 151 мАч / г даже после 2000 циклов быстрой зарядки. Они также хорошо работали с калийно-ионными батареями, но производительность была не такой высокой, как у натриевых.

Передовые методы визуализации, такие как криогенная просвечивающая электронная микроскопия и твердотельный ядерно-магнитный резонанс, подтвердили, что ионы входили в углеродную структуру и выходили из нее, как и ожидалось, и что материал сохранял свою форму в течение тысяч циклов заряда-разряда.

"Это одна из первых наглядных демонстраций интеркаляции ионов натрия в чистых графитовых материалах с такой стабильностью", - сказал Праманик. "Это бросает вызов убеждению, что чистый графит не может работать с натрием".

Последствия этого весьма разнообразны. Это не только открывает путь к созданию более доступных натриево-ионных аккумуляторов, но и снижает зависимость от лития, который становится все более дорогим, а его источник - геополитически сложным. А поскольку углерод в виде конуса/диска может быть синтезирован из побочных продуктов нефтегазовой промышленности, он представляет собой более экологичный способ производства анодов для аккумуляторных батарей.

Поворотный момент в разработке аккумуляторов

В то время как большинство исследований в этой области было сосредоточено на твердых углеродах или легированных материалах, новое исследование знаменует собой поворот в стратегии - упор делается на морфологию, а не на химическую модификацию.

"Мы считаем, что это открытие открывает новые возможности для проектирования анодов аккумуляторных батарей", - сказал Аджаян. "Вместо того, чтобы менять химический состав, мы меняем форму, и это оказывается не менее интересным".

"Мы не просто разрабатываем более совершенный материал для батарей", - сказал Праманик. "Мы предлагаем реальный путь к накоплению энергии, который является более чистым, дешевым и широко доступным для всех".

Это исследование было поддержано финансированием Omega Power и Департамента науки и технологий Индии.