Ученые из Института передовых материалов Университета Дикина в Австралии и Технологического университета Чалмерса в Швеции создали новый тип углеродных волокон, способных одновременно выполнять роль прочного несущего материала и эффективного электрода для литий-ионных аккумуляторов. Обычно инженерам приходится выбирать между прочностью материала и его способностью запасать энергию. Однако новые углеродные волокна с неполной карбонизацией продемонстрировали редкое сочетание свойств: по мере повышения температуры обработки у них одновременно улучшались и механическая прочность, и способность накапливать электричество. Это открывает путь к созданию так называемых структурных батарей, в которых элементы конструкции (например, кузов электромобиля или крыло самолета) смогут сами хранить энергию, уменьшая размеры и массу основного аккумулятора.
Идея использовать углеродное волокно в качестве электрода не нова. Такие материалы давно применяются в авиационных композитах и спортивном оборудовании, где особенно важны прочность и малый вес. Кроме того, углерод способен внедрять в свою структуру ионы лития, благодаря чему может работать как анод аккумулятора. Но здесь всегда существовал компромисс. Традиционные высокопрочные волокна, оптимизированные под механические нагрузки, плохо хранили энергию. А волокна с более рыхлой и разупорядоченной структурой, наоборот, хорошо поглощали литий, но оказывались слишком хрупкими для реальных конструкций.
Ученые решили изменить сам подход к производству материала. Они взяли стандартное полиакрилонитрильное волокно (основу для большинства современных углеродных нитей) и подвергли его частичной карбонизации. Материал нагревали до температур от 800 до 1100 °C, но не доводили процесс до полной карбонизации, как это обычно делают при производстве промышленных углеродных волокон. В результате были получены четыре типа материала – PC800, PC900, PC1000 и PC1100, где число обозначает максимальную температуру обработки. Затем волокна исследовали с помощью электронной микроскопии, спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, механических испытаний и тестов в экспериментальных аккумуляторах.
Результаты оказались неожиданными. Обычно при повышении температуры обработки структура углерода становится более упорядоченной – внутри материала формируются более плотные и прочные углеродные участки. Но одновременно уменьшается количество дефектов и пор, в которых могут удерживаться ионы лития, из-за чего падает емкость аккумулятора. В новых волокнах с неполной карбонизацией этого противоречия практически не оказалось.
Так, материал PC1100, обработанный при 1100 °C, оказался примерно в 2,5 раза жестче волокна PC800 и намного лучше проводил электричество. При этом его способность накапливать и отдавать литий была примерно на 40% выше, чем у коммерческого углеродного волокна T800, которое сегодня считается эталоном для структурных батарей.
Исследователи объясняют этот эффект своеобразной «золотой серединой» структуры материала. При частичной карбонизации волокна еще не превращаются в полностью упорядоченный графит, плохо подходящий для хранения лития, но уже и не остаются хаотичной аморфной массой. Внутри формируется сложная структура из небольших графитовых областей, окруженных менее упорядоченным углеродом с большим количеством дефектов и нанополостей. Упорядоченные участки обеспечивают хорошую электропроводность и механическую прочность, а дефектные области и поры создают дополнительные места для хранения ионов лития.
Особенно важным стало то, что ученые фактически не обнаружили привычного компромисса между механическими и электрохимическими свойствами. Во всем диапазоне температур повышение степени карбонизации одновременно улучшало и прочность, и характеристики аккумулятора. То же волокно PC1100 стабильно выдерживало более 125 циклов зарядки и разрядки практически без потерь энергии, при этом оставаясь очень жестким и прочным материалом.
Вместе с тем волокно PC800, обработанное при самой низкой температуре, оказалось настолько плохо проводящим электричество, что использовать его в аккумуляторе вообще не удалось. Это указывает на существование минимального порога карбонизации, ниже которого материал теряет практическую ценность.
Таким образом исследователи показали, что частичная карбонизация углеродных волокон открывает новые возможности для проектирования структурных батарей: в зависимости от температуры обработки можно подбирать нужное сочетание прочности и энергоемкости под конкретную задачу. Исследователи также считают, что подобная структура материала может оказаться перспективной не только для литий-ионных, но и для натрий-ионных или калий-ионных аккумуляторов, которые рассматриваются как более дешевые альтернативы.
