Твердый углерод для натрий-ионных аккумуляторов: прогресс и перспективы использования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Отражены перспективы применения неграфитизиуемого (твердого) углерода в качестве активного материала отрицательного электрода для натрий-ионных аккумуляторов. Представлен краткий обзор наиболее важных достижений в области переработки биомассы органических предшественников с целью получения твердого углерода, приведена оценка параметров электрохимических ячеек на основе таких материалов. Перечислены последние достижения в области производства металл-ионных аккумуляторов следующего поколения и причины, обуславливающие необходимость подобного перехода.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Б. Подгорбунский

Институт химии ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: pab@ich.dvo.ru
Россия, 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159

Д. П. Опра

Институт химии ДВО РАН

Email: pab@ich.dvo.ru
Россия, 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159

В. В. Железнов

Институт химии ДВО РАН

Email: pab@ich.dvo.ru
Россия, 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159

С. Л. Синебрюхов

Институт химии ДВО РАН

Email: pab@ich.dvo.ru
Россия, 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159

С. В. Гнеденков

Институт химии ДВО РАН

Email: pab@ich.dvo.ru
Россия, 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159

Список литературы

  1. Zhao L.F., Hu Z., Lai W.H. et al. // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1002/aenm.202002704
  2. Mingaleeva R.D. // Vestn. Univ. 2023. № 5. P. 37. https://doi.org/10.26425/1816-4277-2023-5-37-45
  3. Jia S., Abdolhosseini M., Liu C. et al. // Adv. Energy Sustain. Res. 2024. V. 5. https://doi.org/10.1002/aesr.202400051
  4. Alkhalidi A., Khawaja M.K., Ismail S.M. et al. // Sci. Talks 2024. V. 11. P. 100382. https://doi.org/10.1016/j.sctalk.2024.100382
  5. Goodenough J.B. // Energy Storage Mater. 2015. V. 1. P. 158. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2015.07.001
  6. Yang H.L., Zhang B.W., Konstantinov K. et al. // Adv. Energy Sustain. Res. 2021. V. 2. P. 1. https://doi.org/10.1002/aesr.202000057
  7. Barrios E.A., Rains A.A., Lin Y. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces 2022. V. 14. № 18. P. 21363. https://doi.org/10.1021/acsami.2c03012
  8. Kiran Alva S. Manufacturing & Regional Cost Competitiveness of Commercial Sodium Ion Cells: A bottom-up cost analysis of Lithium and Sodium Ion Battery Storage. Stockholm: KTH Royal Institute of Technology (2023) P. 98.
  9. Mauler L., Duffner F., Zeier W.G. et al. // Energy Environ. Sci. 2021. V. 14. № 9. P. 4712. https://doi.org/10.1039/d1ee01530c
  10. Ge P., Fouletier M. // Solid State Ionics 1988. V. 28–30. № PART 2. P. 1172. https://doi.org/10.1016/0167-2738(88)90351-7
  11. Stevens D.A., Dahn J.R. // J. Electrochem. Soc. 2001. V. 148. № 8. P. A803. https://doi.org/10.1149/1.1379565
  12. Dahn J.R., Zheng T., Liu Y. et al. // Science 1995. V. 270. № 5236. P. 590. https://doi.org/10.1126/science.270.5236.590
  13. Coetzer J. // J. Power Sources 1986. V. 18. № 4. P. 377. https://doi.org/10.1016/0378-7753(86)80093-3
  14. Kummer J.T. // Prog. Solid State Chem. 1972. V. 7. № C. P. 141. https://doi.org/10.1016/0079-6786(72)90007-6
  15. Lu X., Xia G., Lemmon J.P. et al. // J. Power Sources 2010. V. 195. № 9. P. 2431. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.120
  16. Whittingham M.S. // MRS Bull. 2021. V. 46. № 2. P. 168. https://doi.org/10.1557/s43577-021-00034-2
  17. Kummer J.T., Weber N. // SAE Tech. Pap. 1967. P. 1003. https://doi.org/10.4271/670179
  18. Min X., Xiao J., Fang M. et al. // Energy Environ. Sci. 2021. V. 14. № 4. P. 2186. https://doi.org/10.1039/D0EE02917C
  19. Xue L., Li Y., Gao H. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2017. V. 139. № 6. P. 2164. https://doi.org/10.1021/jacs.6b12598
  20. Xu K. // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 23. P. 11503. https://doi.org/10.1021/cr500003w
  21. Kulova T.L., Skundin A.M. // Electrochem. Energ. 2016. V. 16. № 3. P. 122. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2016-16-3-122-150
  22. Lakienko G.P., Bobyleva Z. V., Apostolova M.O. et al. // Batteries 2022. V. 8. № 10. P. 131. https://doi.org/10.3390/batteries8100131
  23. Liu P., Li Y., Hu Y.S. et al. // J. Mater. Chem. A 2016. V. 4. № 34. P. 13046. https://doi.org/10.1039/c6ta04877c
  24. Moon H., Innocenti A., Liu H. et al. // ChemSusChem 2023. V. 16. № 1. P. e202201713. https://doi.org/10.1002/cssc.202201713
  25. Gibertini E., Liberale F., Dossi C. et al. // J. Appl. Electrochem. 2021. V. 51. № 12. P. 1665. https://doi.org/10.1007/s10800-021-01609-2
  26. Chen M., Luo F., Liao Y. et al. // J. Electroanal. Chem. 2022. V. 919. P. 116526. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116526
  27. Dou X., Hasa I., Saurel D. et al. // Mater. Today 2019. V. 23. P. 87. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.12.040
  28. Фиалков А.С. // Электрохимия 2000. V. 36. № 4. P. 389.
  29. E. F.R. // Proc. R. Soc. London. Ser. A. Math. Phys. Sci. 1951. V. 209. № 1097. P. 196. https://doi.org/10.1098/rspa.1951.0197
  30. Xu H., Cheng B., Du Q. et al. // Nano Res. 2023. V. 16. № 8. P. 10985. https://doi.org/10.1007/s12274-023-5853-1
  31. Xie F., Xu Z., Guo Z. et al. // Prog. Energy 2020. V. 2. № 4. P. 042002. https://doi.org/10.1088/2516-1083/aba5f5
  32. Saurel D., Orayech B., Xiao B. et al. // Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. № 17. https://doi.org/10.1002/aenm.201703268
  33. Zhang H., Huang Y., Ming H. et al. // J. Mater. Chem. A. 2020. V. 8. № 4. P. 1604. https://doi.org/10.1039/C9TA09984K
  34. Pendashteh A., Orayech B., Suhard H. et al. // Energy Storage Mater. 2022. V. 46. P. 417. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.030
  35. Youn Y., Gao B., Kamiyama A. et al. // npj Comput. Mater. 2021. V. 7. № 1. P. 48. https://doi.org/10.1038/s41524-021-00515-7
  36. Harris P.J.F. // Int. Mater. Rev. 1997. V. 42. № 5. P. 206. https://doi.org/10.1179/imr.1997.42.5.206
  37. Alvira D., Antorán D., Manyà J.J. // Chem. Eng. J. 2022. V. 447. P. 137468. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137468
  38. Au H., Alptekin H., Jensen A.C.S. et al. // Energy Environ. Sci. 2020. V. 13. № 10. P. 3469. https://doi.org/10.1039/d0ee01363c
  39. Stevens D.A., Dahn J.R. // J. Electrochem. Soc. 2000. V. 147. № 4. P. 1271. https://doi.org/10.1149/1.1393348
  40. Asfaw H.D., Tai C.-W., Valvo M. et al. // Mater. Today Energy 2020. V. 18. P. 100505. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100505
  41. Asfaw H.D., Gond R., Kotronia A. et al. // Sustain. Mater. Technol. 2022. V. 32. P. E00407. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2022.e00407
  42. Liu Y., Merinov B. V., Goddard W.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2016. V. 113. № 14. P. 3735. https://doi.org/10.1073/pnas.1602473113
  43. Wang Z., Selbach S.M., Grande T. // RSC Adv. 2014. V. 4. № 8. P. 4069. https://doi.org/10.1039/c3ra47187j
  44. Lenchuk O., Adelhelm P., Mollenhauer D. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. № 35. P. 19378. https://doi.org/10.1039/C9CP03453F
  45. Anji Reddy M., Helen M., Groß A. et al. // ACS Energy Lett. 2018. V. 3. № 12. P. 2851. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b01761
  46. Jin Y., Shi Z., Han T. et al. // Processes 2023. V. 11. № 3. P. 764. https://doi.org/10.3390/pr11030764
  47. Qiu S., Xiao L., Sushko M.L. et al. // Adv. Energy Mater. 2017. V. 7. № 17. https://doi.org/10.1002/aenm.201700403
  48. Dahbi M., Kiso M., Kubota K. et al. // J. Mater. Chem. A 2017. V. 5. № 20. P. 9917. https://doi.org/10.1039/c7ta01394a
  49. Cao Y., Xiao L., Sushko M.L. et al. // Nano Lett. 2012. V. 12. № 7. P. 3783. https://doi.org/10.1021/nl3016957
  50. Zhang N., Liu Q., Chen W. et al. // J. Power Sources 2018. V. 378. P. 331. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.12.054
  51. Bommier C., Surta T.W., Dolgos M. et al. // Nano Lett. 2015. V. 15. № 9. P. 5888. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01969
  52. Yin X., Zhao Y., Wang X. et al. // Small 2022. V. 18. № 5. P. 2105568. https://doi.org/10.1002/smll.202105568
  53. Sun N., Guan Z., Liu Y. et al. // Adv. Energy Mater. 2019. V. 9. № 32. P. 1901351. https://doi.org/10.1002/aenm.201901351
  54. Bai P., He Y., Zou X. et al. // Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. № 15. P. 1703217. https://doi.org/10.1002/aenm.201703217
  55. Li Z., Bommier C., Chong Z.S. et al. // Adv. Energy Mater. 2017. V. 7. № 18. P. 1602894. https://doi.org/10.1002/aenm.201602894
  56. Alvin S., Chandra C., Kim J. // Chem. Eng. J. 2020. V. 391. P. 123576. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123576
  57. Bommier C., Luo W., Gao W.Y. et al. // Carbon N. Y. 2014. V. 76. P. 165. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.064
  58. Matei Ghimbeu C., Górka J., Simone V. et al. // Nano Energy 2018. V. 44. P. 327. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.12.013
  59. Zhang B., Ghimbeu C.M., Laberty C. et al. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. № 1. P. 1501588. https://doi.org/10.1002/aenm.201501588
  60. Morikawa Y., Nishimura S., Hashimoto R. et al. // Adv. Energy Mater. 2020. V. 10. № 3. P. 1903176. https://doi.org/10.1002/aenm.201903176
  61. Stratford J.M., Kleppe A.K., Keeble D.S. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. № 35. P. 14274. https://doi.org/10.1021/jacs.1c06058
  62. Shao W., Shi H., Jian X. et al. // Adv. Energy Sustain. Res. 2022. V. 3. № 7. P. 2200009. https://doi.org/10.1002/aesr.202200009
  63. Abramova E.N., Bobyleva Z. V., Drozhzhin O.A. et al. // Russ. Chem. Rev. 2024. V. 93. № 2. P. RCR5100. https://doi.org/10.59761/rcr5100
  64. Senthil C., Park J.W., Shaji N. et al. // J. Energy Chem. 2021. V. 64. P. 286. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.04.060
  65. Tan M., Zhang W., Fan C. et al. // Energy Technol. 2019. V. 7. № 3. P. 1801164. https://doi.org/10.1002/ente.201801164
  66. Zheng Y., Lu Y., Qi X. et al. // Energy Storage Mater. 2019. V. 18. P. 269. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.09.002
  67. Xu Z., Wang J., Guo Z. et al. // Adv. Energy Mater. 2022. V. 12. № 18. P. 2200208. https://doi.org/10.1002/aenm.202200208
  68. Yang B., Wang J., Zhu Y. et al. // J. Power Sources 2021. V. 492. P. 229656. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229656
  69. Li Z., Chen Y., Jian Z. et al. // Chem. Mater. 2018. V. 30. № 14. P. 4536. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b00645
  70. Prabakar S.J.R., Han S.C., Park C. et al. // J. Electrochem. Soc. 2017. V. 164. № 9. P. A2012. https://doi.org/10.1149/2.1251709jes
  71. Li Y., Hu Y.-S., Li H. et al. // J. Mater. Chem. A 2016. V. 4. № 1. P. 96. https://doi.org/10.1039/C5TA08601A
  72. Izanzar I., Dahbi M., Kiso M. et al. // Carbon N. Y. 2018. V. 137. P. 165. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.05.032
  73. Liu Z.T., Hsieh T.H., Huang C.W. et al. // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2024. V. 154. P. 104889. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2023.104889
  74. Xu Z., Chen J., Wu M. et al. // Electron. Mater. Lett. 2019. V. 15. № 4. P. 428. https://doi.org/10.1007/s13391-019-00143-w
  75. Корпачев В.П., Пережилин А.И., Андрияс А.А. и др. // Хвойные бореальной зоны 2019. Т. 37. № 5. С. 295.
  76. Rath P.C., Patra J., Huang H. et al. // ChemSusChem 2019. V. 12. № 10. P. 2302. https://doi.org/10.1002/cssc.201900319
  77. Zhang W., Qiu X., Wang C. et al. // Carbon Res. 2022. V. 1. № 1. P. 14. https://doi.org/10.1007/s44246-022-00009-1
  78. Prusov A.N., Prusova S.M., Radugin M.V. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2069. https://doi.org/10.1134/S0036023622700061
  79. Вилкова О.Ю. // Рыбпром: технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. 2010. № 3. С. 4.
  80. Yang Y., Hassan S.H.A., Awasthi M.K. et al. // Food Biosci. 2023. V. 51. P. 102267. https://doi.org/10.1016/j.fbio.2022.102267
  81. Fedotova E.E., Korchagin V.P., Vingorodova D.D. // Izv. TINRO 2020. V. 200. № 4. P. 1008. https://doi.org/10.26428/1606-9919-2020-200-1008-1015
  82. Podkorytova A.V., Roshchina A.N. // Tr. VNIRO 2021. V. 186. № 4. P. 156. https://doi.org/10.36038/2307-3497-2021-186-156-172
  83. Клочкова Т.А., Климова А.В. Клочкова Н.Г. // Вестник Камчатского государственного технического университета 2019. V. 48. P. 90.
  84. Baghel R.S., Reddy C.R.K., Singh R.P. // Carbohydr. Polym. 2021. V. 267. P. 118241. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118241
  85. Shurin J.B., Burkart M.D., Mayfield S.P. et al. // F1000Research 2016. V. 5. P. 2434. https://doi.org/10.12688/f1000research.9217.1
  86. Wang P., Zhu X., Wang Q. et al. // J. Mater. Chem. A 2017. V. 5. № 12. P. 5761. https://doi.org/10.1039/c7ta00639j
  87. Ouyang H., Ma Y., Gong Q. et al. // J. Alloys Compd. 2020. V. 823. P. 153862. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153862
  88. Belmesov A.A., Glukhov A.A., Kayumov R.R. et al. // Coatings 2023. V. 13. № 12. P. 2075. https://doi.org/10.3390/coatings13122075
  89. Скундин А.М., Кулова Т.Л., Ярославцев А.Б. // Электрохимия 2018. № 2. P. 131. https://doi.org/10.7868/s0424857018020019
  90. Bischof K., Marangon V., Kasper M. et al. // J. Power Sources Adv. 2024. V. 27. P. 100148. https://doi.org/10.1016/j.powera.2024.100148
  91. Chen Y., Ye C., Zhang N. et al. // Mater. Today 2024. V. 73. P. 260. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.01.002
  92. Bobyleva Z. V., Drozhzhin O.A., Dosaev K.A. et al. // Electrochim. Acta 2020. V. 354. P. 136647. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136647
  93. Li Y., Lu Y., Zhao C. et al. // Energy Storage Mater. 2017. V. 7. P. 130. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.01.002
  94. Górka J., Vix-Guterl C., Matei Ghimbeu C. // C 2016. V. 2. № 4. P. 24. https://doi.org/10.3390/c2040024
  95. Zhao G., Wang X., Negnevitsky M. // iScience 2022. V. 25. № 2. P. 103744. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.103744
  96. Romanovich M.A., Ospischev P.I., Romanovich L.G. et al. // Krasn. Sci. 2020. V. 9. № 2. P. 206. https://doi.org/10.12731/2070-7568-2020-2-206-223
  97. Li M. // Energies 2023. V. 16. № 24. P. 8004. https://doi.org/10.3390/en16248004
  98. Xia S., Wu X., Zhang Z. et al. // Chem 2019. V. 5. № 4. P. 753. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.11.013
  99. Fei Pei, Yan X., Lei F. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2024. https://doi.org/10.1134/S0036023624601491
  100. Zhang S., Steubing B., Karlsson Potter H. et al. // Resour. Conserv. Recycl. 2024. V. 202. P. 107362. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107362
  101. Alšauskas O., Connelly E., Huismans M. et al. // Global EV Outlook 2024: annual report. 2024. P. 1.
  102. Royo S., Ballesta-Garcia M. // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 19. P. 4093. https://doi.org/10.3390/app9194093
  103. Liu Z., Zhang F., Hong X. // IEEE/ASME Trans. Mechatronics 2022. V. 27. № 1. P. 58. https://doi.org/10.1109/TMECH.2021.3058173
  104. Zhou Y., Xu M. // Res. Transp. Econ. 2023. V. 100. P. 101326. https://doi.org/10.1016/j.retrec.2023.101326
  105. Selim T.H., Gad-El-Rab M. Artificial Intelligence and the Global Automotive Industry. Cham: Springer Nature Switzerland (2024) 237. https://doi.org/10.1007/978-3-031-49979-1_3
  106. Каульбарс А.А. // Отчет счетной палаты Российской Федерации. 2021. С. 113.
  107. Samsonov N. // Spat. Econ. 2018. V. 3. P. 43. https://doi.org/10.14530/se.2018.3.043-066
  108. Salomatin A.M., Zinov’eva I. V., Zakhodyaeva Y.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2024. https://doi.org/10.1134/S0036023624601144
  109. Li Y., Hu Y.-S., Qi X. et al. // Energy Storage Mater. 2016. V. 5. P. 191. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2016.07.006
  110. Yu P., Tang W., Wu F.F. et al. // Rare Met. 2020. V. 39. № 9. P. 1019. https://doi.org/10.1007/s12598-020-01443-z
  111. Baskar A.V., Singh G., Ruban A.M. et al. // Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. https://doi.org/10.1002/adfm.202208349
  112. Bartoli M., Piovano A., Elia G.A. et al. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2024. V. 194. P. 114304. https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114304
  113. Idamayanti D., Rochliadi A., Iqbal M. et al. // J. Energy Storage 2024. V. 89. P. 111491. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111491
  114. Sprenkle V., Li B., Zhang L. et al. // Flow Batteries Technology Strategy Assessment: summary report. 2023. P. 1.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема структурных превращений при пиролизе различных прекурсоров, рентгенограммы и типичные профили заряда-разряда в натриевых полуячейках из графита, мягкого и твердого углерода, восстановленного оксида графена [32].

Скачать (200KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Типичная кривая процесса начального электрохимического натрирования неграфитизируемого углерода с иллюстрацией механизмов взаимодействия натрия с углеродом [45–47].

Скачать (163KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025