Сотрудники отдела нетрадиционных каталитических процессов и Инжинирингового центра Института катализа Сибирского отделения РАН начали создавать углеродные материалы для суперконденсаторов на основе скорлупы кедрового ореха. Свойства этих материалов позволят получить элементы с высокой плотностью запасаемой энергии.
Суперконденсатор, или ионистор — устройство, которому нужно всего 10—20 секунд для полной зарядки, а заряжать и разряжать его можно сотни тысяч раз. Высокая скорость зарядки, чрезвычайно длинный жизненный цикл и высокая мощность — преимущества ионисторов перед литий-ионными аккумуляторами, которые долго заряжаются и со временем теряют свою ёмкость.
Суперконденсаторы используют в источниках бесперебойного питания, альтернативной энергетике, электротранспорте и космической отрасли.
Способность ионисторов накапливать энергию во многом зависит от текстурных характеристик материалов, которые используют в электродах. Чем выше удельная площадь поверхности материала, тем больше заряда ионистор может запасать. Для производства электродов чаще всего применяют активированные углеродные материалы с высокоразвитой пористой структурой. Сотрудники отдела нетрадиционных каталитических процессов Института катализа СО РАН опубликовали в Journal of Energy Storage обзор таких перспективных материалов и способов их получения.
В ИК СО РАН в качестве углеродных материалов используют активированные угли. Для их производства учЁные выбрали скорлупу кедрового ореха — единственного ореха, который заготавливают в России в промышленных масштабах.
«Скорлупа орехов обладает повышенной плотностью, которая в определенной мере передается конечному продукту. Чтобы достигнуть высоких энергоЁмкостных показателей на единицу объёма суперконденсатора, материал электрода должен быть плотным и с высокой удельной площадью поверхности. Чем плотнее материал, тем меньший объём он занимает, а большая поверхность обеспечивает высокую ёмкость», — рассказывает старший научный сотрудник Инжинирингового центра ИК СО РАН, к.х.н. Петр Елецкий.
Для получения активированного угля скорлупу сначала измельчают и карбонизируют в кипящем слое катализатора. Затем полученный на первом этапе биоуголь смешивают с раствором щелочи, обрабатывают при температуре 600—1000°С, отмывают и сушат.
Максимальная удельная площадь поверхности углей из скорлупы ореха, которую удалось достичь в Институте катализа — 2200 квадратных метров на грамм.
Материалы для суперконденсаторов изготавливают в институте, а тестируют в научно-образовательном центре «Институт химических технологий ИК СО РАН-НГУ» на базе Новосибирского государственного университета в недавно созданной молодёжной лаборатории композитных материалов для электроники.
«Из полученного углеродного материала мы формируем тонкие таблетки, которые запрессовываем в металлические корпуса плоских батареек. Это позволяет тестировать материалы в условиях, максимально приближенных к реальным. Проведённые испытания говорят о том, что активированные угли из скорлупы ореха перспективны для практического применения», — рассказывает заведующая лабораторией Марина Лебедева.
В планах исследователей — улучшить процесс синтеза активированного угля, чтобы его свойства стали оптимальными для использования в суперконденсаторе с максимально возможной энергоёмкостью. Следующим шагом должно стать создание прототипа мощного ионистора.
