Батареи из отходов дерева: инновации в хранении энергии

В свете растущего спроса на хранение энергии для энергетического перехода остро стоит вопрос о разработке экономичных, безопасных и ресурсоэффективных аккумуляторных технологий. Перспективным направлением являются натрий-ионные батареи, основанные на доступных и экологически чистых материалах. Исследователи из Института Фраунгофера и их партнеры работают над натрий-ионной системой, используя лигнин – побочный продукт деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Лигнин, биополимер, является ключевым компонентом древесины, придающим ей структурную прочность. В настоящее время он, как правило, сжигается для получения энергии. Однако ученые из Института Фраунгофера по керамическим технологиям и системам IKTS и Фридрих-Шиллер-Университета Йены предложили более рациональное использование этого ресурса.

В рамках проекта ThüNaBsE (Тюрингская натрий-ионная батарея для масштабного хранения энергии) ведется разработка и оценка нового типа натрий-ионных аккумуляторов на основе лигнина, от сырья до полноценной ячейки емкостью 1 Ач. Цель проекта — снизить зависимость от критически важных сырьевых материалов и ускорить переход к более дешевым, устойчивым и безопасным батареям. Кроме того, проект призван поддержать молодых исследователей в Тюрингии, вовлекая в работу аспирантов, специализирующихся на исследованиях в области энергетики и аккумуляторов.

Лигнин: превращение побочного продукта в перерабатываемый ресурс

Лигнин состоит в основном из углеводородных строительных блоков, которые могут использоваться в различных химических приложениях, включая электродные материалы для аккумуляторов. В проекте это био-сырье применяется для изготовления отрицательного электрода.

«Мы стремимся исключить использование критических металлов, таких как литий, кобальт и никель, из цепочки создания стоимости аккумуляторов. Также мы нацелены на минимизацию содержания фтора в электродах и электролитах, проверяя, в какой степени мы можем от него отказаться. Тем не менее, основной акцент проекта делается на переработке высококачественного лигнина, доступного на местном уровне, в высокопроизводительные электроды для наших натрий-ионных батарей», — отмечает Лукас Меденбах, научный сотрудник Fraunhofer IKTS.

Используемый в проекте лигнин поставляется компанией Mercer Rosenthal GmbH. В инертных условиях он подвергается термической конверсии в углерод, который затем перерабатывается в электроды. «Наши партнеры из Института технической и экологической химии Фридрих-Шиллер-Университета Йены под руководством профессора Мартина Ошаца используют термические процессы для превращения лигнина в так называемый твердый углерод. Структура этого твердого углерода очень хорошо подходит для обратимого хранения ионов натрия. Твердый углерод обладает высокой электрохимической производительностью, хорошей циклируемостью и низкими затратами на приобретение, особенно если он получен из возобновляемых источников», — поясняет коллега Меденбаха, Корнелиус Дирксен.

В качестве материала для положительного электрода планируется использовать аналоги берлинской лазури — нетоксичные соединения железа. Это вещество, впервые примененное в качестве пигмента около 200 лет назад, отличается хорошей доступностью сырья, экологической безопасностью и свойствами хранения ионов натрия.

В настоящее время на испытательном центре аккумуляторов Fraunhofer IKTS в Арнштадте, а также в Хермсдорфе и Фридрих-Шиллер-Университете Йены ведется сборка и тестирование первых малых демонстрационных ячеек. Лабораторные работы дополняются реалистичными мультифизическими симуляциями. Результаты обнадеживают: «После 100 циклов зарядки-разрядки лабораторная ячейка не показывает значительной деградации. Цель — продемонстрировать 200 циклов зарядки-разрядки для полноценной ячейки емкостью 1 Ач к концу проекта», — говорит Меденбах.

После полного развития батарея может быть использована для стационарных или мобильных систем хранения энергии, где не требуется быстрая зарядка. Натрий-ионные батареи на основе лигнина подходят для мобильных применений с более низкими требованиями к мощности, таких как микроавтомобили (с ограничением скорости 45 км/ч) или складская погрузочно-разгрузочная техника, например, вилочные погрузчики. По завершении проекта партнеры намерены продолжить масштабирование технологии и перейти к следующим уровням зрелости с помощью еще более крупного консорциума.