Графит в аккумуляторах заменили грибами

Американские ученые предложили использовать модифицированные наночастицами волокна грибов в качестве анодного материала для современных литиевых батарей. Удельная емкость такого анода оказалась в полтора раза выше, чем у стандартного графитового.

Один из способов увеличения емкости литиевых аккумуляторов, анодом в которых служит графит — замена его на другие углеродные структуры с большей площадью поверхности. Например, для этих целей можно использовать углеродные волокна или нанотрубки. Такие структуры позволяют «связать» больше лития при зарядке батареи, что, соответственно, приводит к увеличению переносимого заряда и, в конечном итоге, к высокой емкости. Однако получение углеродных волокон и нанотрубок — процесс трудоемкий и дорогостоящий.

В новой работе у исследователей появилась идея использовать живые организмы для более легкого способа производства углеродных волокон. По словам одного из авторов, такая мысль пришла ему в голову во время прогулки по двору усадьбы: заметив растущие на гниющем пне неприхотливые грибы, ученый решил проверить, нельзя ли использовать их в качестве дешевого источника сырья для литиевых аккумуляторов с высокой емкостью.

Авторы работы изучили для этих целей трутовик Tyromyces fissilis — тиромицес расщепляющийся — обитающий на живой или мертвой древесине как лиственных, так и хвойных пород. От других трутовиков из рода Tyromyces он отличается значительно более массивными и пористыми плодовыми телами. Опытный образец был собран со ствола дуба.

Изображения волокнистой структуры материала, полученные с помощью сканирующего (вверху) и просвечивающего (внизу) электронных микроскопов.

Для получения углеродных волокон мякоть гриба измельчили, высушили под вакуумом, а затем отожгли в атмосфере аргона при температурах от 500 до 900 градусов. Полученный материал ученые поместили в анод литиевого аккумулятора. Катодом в тестовой батарее служил широко используемый в промышленности кобальтат лития — LiCoO2. Максимальная удельная емкость такого анода составила порядка 350 миллиампер-часов на грамм.

Чтобы повысить электрохимические характеристики материала, авторы предложили модифицировать его наночастицами оксида кобальта. Теоретическая емкость оксида кобальта составляет около 715 миллиампер-часов на грамм. Но при использовании в качестве анода только наночастиц, процессы «склеивания» между ними и высокий коэффициент теплового расширения не позволяют достигнуть высоких значений емкости. Авторы предложили, что углеродные волокна в качестве «матрицы» для наночастиц могут решить эту проблему. Таким образом, им удалось получить «гибридные» аноды с удельной емкостью до 530 миллиампер-часов на грамм.

Это не первая работа, в которой живые организмы предлагали использовать в качестве источника углеродных волокон для анодов литиевых аккумуляторов. Так, в 2015 году в журнале Scientific Reports была опубликована статья, в которой для этой цели использовали кожицу шляпки шампиньонов. После термической обработки в таком аноде образовывалась пористая иерархическая структура из углеродных волокон. Однако удельные емкости полученных электродов не превышали примерно 260 миллиампер-часов на грамм.