Группа исследователей из Департамента материаловедения и наноинженерии Университета Райса совместно с коллегами из Университета Бейлора и Индийского института научного образования и исследований в Тируванантапураме представила перспективное решение, способное повлиять на будущее систем хранения энергии. Исследователи предложили использовать отходы нефтегазовой промышленности для создания углеродных материалов необычной формы — микроскопических конусов и дисков с чистой графитовой структурой. Такие структуры были получены с помощью масштабируемого пиролиза — разложения углеводородов в условиях высоких температур без кислорода. Исследование было профинансировано компанией Omega Power и Министерством науки и технологий Индии.

Вместо того чтобы менять химический состав, ученые изменили форму углерода на уровне наноструктуры. Оказалось, что новые изогнутые формы гораздо лучше подходят для работы с ионами натрия и калия, которые больше по размеру, чем литий, но при этом дешевле и встречаются гораздо чаще. В традиционном графите эти ионы фактически не помещаются, а в новых, более «просторных» структурах конусов и дисков могут свободно проникать внутрь материала и выходить обратно без необходимости в сложных химических изменениях.

В лабораторных условиях эти материалы продемонстрировали впечатляющие результаты: они удерживали около 230 мАч/г заряда с ионами натрия и продолжали работать на уровне 151 мАч/г даже после 2000 циклов быстрой зарядки. В калий-ионных аккумуляторах эффективность была немного ниже.

С помощью современных методов визуализации, включая криоэлектронную микроскопию и твердотельный ядерный магнитный резонанс, исследователи подтвердили, что ионы действительно проходят внутрь углеродной структуры и выходят из нее без разрушения. При этом сам материал сохраняет форму и стабильность даже после множества циклов зарядки и разрядки.

Это открытие прокладывает путь к созданию более дешевых, надежных и экологичных аккумуляторов, особенно в условиях растущего дефицита и удорожания лития. А возможность переработки промышленных отходов в ценный материал делает эту технологию еще более привлекательной.