Группа исследователей с факультета материаловедения и наноинженерии Университета Райса совместно с коллегами из Бейлорского университета и Индийского научно-исследовательского института в Тируванантапураме представила многообещающее решение, которое может определить будущее систем хранения энергии. Исследователи предложили использовать отходы нефтегазовой промышленности для создания углеродных материалов необычной формы: микроскопических конусов и дисков с чистой графитовой структурой. Эти структуры были получены с помощью масштабируемого пиролиза, то есть разложения углеводородов без доступа кислорода при высоких температурах. Исследование было профинансировано компанией Omega Power и Министерством науки и технологий Индии.
Вместо того чтобы менять химический состав углерода, учёные изменили его форму на уровне наноструктуры. Они обнаружили, что новые изогнутые формы гораздо лучше подходят для реакций с ионами натрия и калия, которые не только крупнее ионов лития, но и дешевле и встречаются чаще. В то время как эти ионы не могут поместиться в обычном графите, они могут свободно проникать в материал в новых, более просторных конусообразных и дискообразных структурах, выходя из них без необходимости в сложных химических изменениях.
Эти материалы показали впечатляющие результаты в лабораторных условиях, удерживая заряд около 230 мАч/г с ионами натрия и продолжая работать с показателем 151 мАч/г даже после 2000 циклов быстрой зарядки. В литий-ионных батареях эффективность была немного ниже.
Используя самые современные методы визуализации, в том числе криоэлектронную микроскопию и ядерный магнитный резонанс в твёрдом теле, исследователи подтвердили, что ионы проникают в углеродную структуру и выходят из неё, не разрушаясь. При этом материал сохраняет свою форму и стабильность даже после многократных циклов зарядки и разрядки.
Это открытие открывает путь к более дешёвым, надёжным и экологичным аккумуляторам, особенно в условиях растущего дефицита лития и повышения цен. Возможность переработки промышленных отходов в ценный материал делает эту технологию ещё более привлекательной.