Исследователи из Китая нашли способ дать вторую жизнь отработанным аккумуляторам мобильных телефонов и промышленным отходам лигнина. Они преобразовали эти материалы в высокоэффективный анод для натрий‑ионных аккумуляторов — перспективной и более доступной альтернативы с сохранением литий‑ионных систем.
В рамках проекта учёные из Хананьского педагогического и Технологического университета Цилу создали композитный материал NiCo₂S₄/Co₉S₈@LC50. В его основе — металлы, извлечённые из старых аккумуляторов телефонов Nokia, и углерод, полученный из лигнина. Этот побочный продукт в огромных объёмах приходится на предприятия целлюлозно‑бумажной промышленности и при переработке биомассы.
Уникальная структура — новые возможности
Полученный материал имеет структуру, напоминающую пчелиные соты. По мнению разработчиков, это соблюдение требований к параметрам аккумулятора:
- электропроводность;
- транспорт ионов натрия;
- структурную стабильность в процессе эксплуатации.
Почему натрий?
Натрий‑ионные аккумуляторы всё чаще рассматривают как экономичную замену литий‑ионным. Причина проста: натрий распространён в природе гораздо шире, его добыча не требует сложных и дорогостоящих технологий. Однако у большинства существующих натрий‑ионных анодных материалов есть серьезные недостатки:
- мягкость при многократном использовании;
- ограниченная удельная энергоёмкость.
Эти факторы сдерживают их коммерческое внедрение.
Технология «от отходов к отходам»
Чтобы преодолеть внешние ограничения, учёные предложили оригинальную обратную обработку. Она позволяет трансформировать электронные отходы и остатки промышленной биомассы в функциональный компонент для аккумуляторов. Процесс включает в себя несколько этапов:
- Извлечение и синтез NiCo₂S₄ из отработанных аккумуляторов мобильных телефонов методом гидротермальной обработки.
- Очистка промышленного лигнина и его обработка полученным сульфидным прекурсором.
- Щелочная обработка, активация и карбонизация в атмосфере азота.
Результаты и анализ
В ходе экспериментов было установлено, что лигнин не только обогащает материал углеродом. В процессе карбонизации он обеспечивает образование вторичной фазы Co₉S₈, создавая двойную сульфидную структуру, покрытую углеродом из лигнина.
Микроскопические и спектроскопические исследования подтвердили образование мезопористой сотовой структуры. Она обеспечивает улучшенный доступ электролита и ускоренное движение ионов натрия внутри электрода.
Электрохимические испытания продемонстрировали впечатляющие показатели:
- начальная разрядная ёмкость — 1062,8 мАч/г;
- сохранение ёмкости 244,5 мАч/г после 100 циклов зарядки‑разрядки;
- сохранение 207 мАч/г после 300 циклов при токе 0,5 А/г.
Импедансный анализ показал, что материал обладает улучшенными показателями переносимости заряда и диффузии ионов натрия по сравнению с другими протестированными образцами. Компьютерное моделирование подтвердило: гетероструктура NiCo₂S₄/Co₉S₈ повышает электропроводность и оптимизирует перенос заряда.
Экологический и экономический эффект
Проблема утилизации отходов остается актуальной, отработанные аккумуляторы содержат ценные металлы, которые при неправильной переработке оказываются в окружающей среде и наносят ей вред. Лигнин, изменяющийся в огромных количествах, часто сжигают или просто выбрасывают.
Разработанная технология решает сразу две задачи:
- Снижает экологическую нагрузку на счетчик переработки отходов.
- Создаёт недорогую альтернативу литиевым аккумуляторам.
Согласно мнению, новый материал может найти применение в сетевых накопителях энергии, электромобильной и портативной электроники.
Этот проект — запоминающийся пример того, как инновации в области переработки отходов могут стимулировать развитие экологически чистых и экономически выгодных технологий хранения энергии.