Επιστήμονες στην Κίνα μετέτρεψαν απορριπτόμενες μπαταρίες κινητών τηλεφώνων και βιομηχανικά απόβλητα λιγνίνης σε υλικό ανόδου μπαταρίας ιόντων νατρίου με βελτιωμένη απόδοση αποθήκευσης ενέργειας, προσφέροντας μια πιθανή οικονομική εναλλακτική λύση σε σχέση με τα συμβατικά εξαρτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου.
Ένα νέο υλικό
Η ομάδα ανέπτυξε ένα σύνθετο υλικό που ονομάζεται NiCo₂S₄/Co₉S₈@LC50 συνδυάζοντας ανακτημένα μέταλλα από χρησιμοποιημένες μπαταρίες τηλεφώνων Nokia με άνθρακα που προέρχεται από λιγνίνη, ένα υποπροϊόν που παράγεται σε μεγάλες ποσότητες από τις βιομηχανίες χαρτιού και βιομάζας.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η προκύπτουσα δομή που μοιάζει με κηρήθρα βελτίωσε την αγωγιμότητα, τη μεταφορά ιόντων νατρίου και τη δομική σταθερότητα κατά τη λειτουργία της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου κερδίζουν την προσοχή ως φθηνότερες εναλλακτικές λύσεις σε συστήματα ιόντων λιθίου, επειδή το νάτριο είναι πιο άφθονο και πιο εύκολο στην προμήθεια. Ωστόσο, πολλά υλικά ανόδου ιόντων νατρίου εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν προβλήματα με κακή σταθερότητα κύκλου και περιορισμένη απόδοση ρυθμού, περιορίζοντας την εμπορική τους βιωσιμότητα.
Τα απόβλητα τροφοδοτούν τον σχεδιασμό μπαταριών
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Henan Normal και το Πανεπιστήμιο Qilu ανέπτυξαν αυτό που περιέγραψαν ως στρατηγική «απόβλητο σε υλικό» που μετατρέπει τόσο τα ηλεκτρονικά απόβλητα όσο και τα υπολείμματα βιομηχανικής βιομάζας σε λειτουργικό υλικό μπαταρίας.
Οι ερευνητές πρώτα εξήγαγαν και συνέθεσαν NiCo₂S₄ από απορριπτόμενες μπαταρίες κινητών τηλεφώνων χρησιμοποιώντας μια υδροθερμική διαδικασία. Στη συνέχεια, καθάρισαν τη βιομηχανική λιγνίνη και τη συνδύασαν με τον ανακτημένο πρόδρομο σουλφιδίου πριν πραγματοποιήσουν αλκαλική επεξεργασία, ενεργοποίηση και ενανθράκωση υπό άζωτο.
Οι δοκιμές έδειξαν ότι η προσθήκη λιγνίνης έκανε περισσότερα από την απλή εισαγωγή άνθρακα στο υλικό. Κατά τη διάρκεια της ενανθράκωσης, βοήθησε επίσης στη δημιουργία μιας δευτερογενούς φάσης Co₉S₈, σχηματίζοντας μια δομή διπλού σουλφιδίου τυλιγμένη σε άνθρακα που προέρχεται από λιγνίνη.
Η ανάλυση μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας επιβεβαίωσε τον σχηματισμό μιας μεσοπορώδους αρχιτεκτονικής τύπου κηρήθρας που βελτίωσε την πρόσβαση στους ηλεκτρολύτες και επιτάχυνε την κίνηση ιόντων νατρίου μέσα στο ηλεκτρόδιο.
Η κυψελοειδής δομή ενισχύει τη ροή
Το υλικό επέδειξε επίσης βελτιωμένη συμπεριφορά μεταφοράς φορτίου και διάχυση ιόντων νατρίου σε σύγκριση με άλλα δείγματα που δοκιμάστηκαν, σύμφωνα με ανάλυση σύνθετης αντίστασης.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η ταχεία επιφανειακά ελεγχόμενη αποθήκευση νατρίου συνέβαλε σημαντικά στην απόδοση του υλικού. Η υπολογιστική μοντελοποίηση υπέδειξε περαιτέρω ότι η ετεροδομή NiCo₂S₄/Co₉S₈ βελτίωσε την ηλεκτρονική αγωγιμότητα και διευκόλυνε τη μεταφορά φορτίου.
Η εργασία υπογραμμίζει τις αυξανόμενες προσπάθειες για την ανάπτυξη υλικών μπαταριών από ανακυκλωμένες πρώτες ύλες, καθώς η βιομηχανία αποθήκευσης ενέργειας αναζητά χαμηλότερου κόστους και πιο βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα που βασίζονται στο λίθιο.
Η ροή αποβλήτων
Οι απορριπτόμενες μπαταρίες εξακολουθούν να θέτουν περιβαλλοντικές προκλήσεις επειδή περιέχουν ανακτήσιμα μέταλλα που συχνά σπαταλώνται όταν δεν ανακυκλώνονται σωστά. Η βιομηχανική λιγνίνη αντιμετωπίζει παρόμοιο πρόβλημα, με μεγάλο μέρος της να καίγεται ή να απορρίπτεται παρά το γεγονός ότι παράγεται σε τεράστιες ποσότητες παγκοσμίως.
Συνδυάζοντας και τις δύο ροές αποβλήτων σε ένα μόνο υλικό μπαταρίας ιόντων νατρίου, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να υποστηρίξει την κατασκευή πιο οικολογικών μπαταριών για μελλοντικά συστήματα αποθήκευσης δικτύου, ηλεκτρικά οχήματα και φορητά ηλεκτρονικά.
www.worldenergynews.gr
