Аккумуляторные электроды из металлолома

Кубические наноструктуры на поверхности модифицированной ржавчины могут быть резервуаром для ионов калия, то есть перспективным материалом для аккумуляторных электродов

Исследователи из Китая разработали элегантное решение, позволяющее превратить ржавые стальные изделия в идеальные электроды для калий-ионных источников питания. Особенность метода заключается в том, что ржавчину не удаляют, а превращают в сетчатую структуру, способную запасать ионы калия. Электропроводность и стабильность новых электродов во время повторяющихся циклов «зарядка/разрядка» обеспечиваются образованным на них покрытием из восстановленного оксида графена («Angewandte Chemie. Int. Ed», 2017, 56, 27, 7881—7885, doi: 10.1002/anie.201702711).

Увеличение спроса на возобновляемые источники энергии заставляет исследователей и инженеров разрабатывать более эффективные аккумуляторы. Солнечные батареи, естественно, дают энергию только днем, ветряки — во время ветра, и эту энергию необходимо где-то хранить, чтобы постоянно обеспечивать потребности пользователей. Чаще всего для хранения электричества сегодня используются литий-ионные аккумуляторы, которые работают за счет транспорта ионов лития между электродами при зарядке и разрядке. Во время зарядки ионы лития движутся к электроду из графита, где они размещаются в пустотах между слоями углерода. Основная проблема литий-ионных аккумуляторов — низкое содержание лития в земной коре, а значит, его высокая стоимость. Как альтернативу им рассматривают натрий- и калий-ионные источники питания, работающие соответственно за счет обратимого транспорта ионов натрия или калия (см. «Химию и жизнь», 2016, 7). Проблема этих аккумуляторов — большой радиус ионов натрия и особенно калия: из-за этого повторяющиеся циклы зарядки и разрядки аккумулятора значительно дестабилизируют материалы электродов, постепенно разрушая их.

Исследователи из группы Синь-Бо Чжана из Академии наук КНР и Университета Цзилинь считают, что они решили проблему со стабильностью электродов для калий-ионных аккумуляторов. Исходным материалом для таких электродов могут стать ржавые сетки фильтров и сит из нержавеющей стали. Сорта стали, из которых делают такие сетки, отличаются высокой механической прочностью, однако даже нержавеющая сталь в определенных условиях может обрастать ржавчиной. Конечно, этот металлолом можно переплавить, но переплавка требует больших финансовых и энергетических затрат, а превращение их в электроды протекает в более мягких условиях и поэтому выгоднее.

Методика заключается в следующем: металлолом замачивают в растворе гексацианоферрата калия (желтой кровяной соли), в результате ионы железа, хрома и никеля, содержащиеся в ржавчине, переходят в раствор, а затем образуют комплексные соли, которые осаждаются на поверхности металла, формируя наноструктуры кубической формы. Эти наноструктуры могут быть резервуарами для ионов калия, обратимо накапливая и высвобождая их. Исследователи стабилизировали резервуары-нанокубики, покрыв их слоем восстановленного оксида графена, — такое покрытие замедляет разрушение и отщепление электродно-активного материала, однако не мешает транспорту ионов калия, попутно увеличивая скорость транспорта электронов в самом материале электрода.

Авторы работы испытали новые электроды в экспериментальном аккумуляторе и убедились, что их материал отличается хорошей емкостью по ионам калия, демонстрирует высокую скорость зарядки и стабильность в циклах зарядка/разрядка. Элементы фильтров и молекулярных сит достаточно гибкие, поэтому в перспективе электроды из них могут оказаться полезными и для разработки гибкой бытовой электроники.