АНОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ МОРСКИХ ВОДОРОСЛЕЙ И ТРАВ ДЛЯ МЕТАЛЛ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ: ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ
УДК 544.6.076.324.1; 661.666.1; 546.05
Аннотация
Углеродные материалы применяются и рассматриваются в качестве электроактивных компонентов для отрицательных электродов различных металл-ионных аккумуляторов. К достоинствам углеродных материалов относятся доступность и дешевизна сырья для получения, что обеспечивает преимущества при масштабировании технологий на их основе. В последнее время в числе наиболее перспективных источников углерода рассматривается биомасса, поскольку это возобновляемый и общедоступный ресурс. В обзоре обобщены за последнее десятилетие и систематизированы результаты исследований углеродных материалов и углеродсодержащих композитов, полученных из биомассы морских водорослей и трав, в качестве отрицательных электродов для металл-ионных (литий-, натрий-, калий-ионных) аккумуляторов. Проведен и анализ работ, посвященных получению и изучению таких анодных материалов из полисахаридов, извлекаемых из морских водорослей. Проанализирована взаимосвязь между условиями получения углеродных материалов и углеродсодержащих композитов, их характеристиками (удельной поверхностью, пористостью, расстоянием между графеновыми слоями, степенью упорядоченности и др.) и электрохимическими свойствами для металл-ионных аккумуляторов (начальной эффективностью, обратимой емкостью, устойчивостью к токовым нагрузкам и т.д.). Обсуждены способы модификации таких материалов для улучшения их функциональных свойств.
Скачивания
Литература
Nekahi A., Dorri M., Rezaei M., Bouguern M.D., Anil Kumar M.R., Li X., Deng S., Zaghib K. Batteries, 2024, vol. 10, article 279. https://doi.org/10.3390/batteries10080279.
Stenina I.A., Sobolev A.N., Kulova T.L., Desyatov A.V., Yaroslavtsev A.B. Zhurnal neorganicheskoy khimii, 2022, vol. 67, pp. 829–835. https://doi.org/10.31857/S0044457X2206023X. (in Russ.).
Ivanishchev A.V., Ivanishcheva I.A., Lee S., Kim J.-J., Kim Y.-J., Bae C., Nam S.-C., Song J.-H. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2023, vol. 950, article 117864. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2023.117864.
Qiu Z., Cao F., Pan G., Li C., Chen M., Zhang Y., He X., Xia Y., Xia X., Zhang W. ChemPhysMater, 2023, vol. 2, pp. 267–281. https://doi.org/10.1016/j.chphma.2023.02.002.
Taskin O.S., Hubble D., Zhu T., Liu G. Green Chemistry, 2021, vol. 23, pp. 7890–7901. https://doi.org/10.1039/D1GC01814K.
Abbasi T., Abbasi S.A. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, vol. 14, pp. 919–937. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.11.006.
Xia Y., Wang L., Li X., Liao T., Zhai J., Wang X., Huo K. Battery Energy, 2024, vol. 3, article 20240015. https://doi.org/10.1002/bte2.20240015.
Evseeva N.V., Matyushkin V.B., Berezina M.O., Melnik R.A., Levitsky A.L., Vlasov D.O., Saenko E.M., Zhiltsova L.V., Belyj M.N., Dulenin A.A., Prokhorova N.Y., Sologub D.O., Botnev D.A. Trudy VNIRO, 2024, vol. 195, pp. 232–248. https://doi.org/10.36038/2307-3497-2024-195-232-248.
Kulova T.L., Skundin A.M. Electrochemical Energetics, 2023, vol. 23, pp. 111–120. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2023-23-3-111-120.
Hong Z., Tian H., Fang Z., Luo Y., Wu H., Zhao F., Li Q., Fan S., Wang J. ChemElectroChem, 2024, vol. 11, article e202300759. https://doi.org/10.1002/celc.202300759.
Izatt S.R., Izatt R.M., Bruening R.L., Krakowiak K.E., Navarro L. IPMI Journal, 2024, vol. 4, pp. 78–115.
Xu J., Dou Y., Wei Z., Ma J., Deng Y., Li Y., Liu H., Dou S. Advanced Science, 2017, vol. 4, article 1700146. https://doi.org/10.1002/advs.201700146.
Zhao L., Zhang T., Li W., Li T., Zhang L., Zhang X., Wang Z. Engineering, 2023, vol. 24, pp. 172–183. https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.08.032.
Kim E.J., Kumar P.R., Gossage Z.T., Kubota K., Hosaka T., Tatara R., Komaba S. Chemical Science, 2022, vol. 13, pp. 6121–6158. https://doi.org/10.1039/D2SC00946C.
Gupta P., Pushpakanth S., Haider M.A., Basu S. ACS Omega, 2022, vol. 7, pp. 5605–5614. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05794.
Grigor'yeva O.Yu., Kulova T.L., Skundin A.M. Elektrokhimicheskaya energetika, 2016, vol. 16, pp. 30–33. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2016-1-30-33. (in Russ.).
Marom R., Amalraj S.F., Leifer N., Jacob D., Aurbach D. Journal of Materials Chemistry, 2011, vol. 21, pp. 9938–9954. https://doi.org/10.1039/c0jm04225k.
Li S., Wang K., Zhang G., Li S., Xu Y., Zhang X., Zhang X., Zheng S., Sun X., Ma Y. Advanced Functional Materials, 2022, vol. 32, article 2200796. https://doi.org/10.1002/adfm.202200796.
Yaroslavtsev A.B., Kulova T.L., Skundin A.M. Uspekhi khimii, 2015, vol. 84, pp. 826–852. https://doi.org/10.1070/RCR4497. (in Russ.).
Ge P., Fouletier M. Solid State Ionics, 1988, vol. 28-30, pp. 1172–1175. https://doi.org/10.1016/0167-2738(88)90351-7.
Li X., Li J., Ma L., Yu C., Ji Z., Pan L., Mai W. Energy & Environmental Materials, 2022, vol. 5, pp. 458–469. https://doi.org/10.1002/eem2.12194.
Bobyleva Z.V. Negrafitiziruyemyy uglerod kak anodnyy material dlya natriy-ionnykh akkumulyatorov: dis. ... kand. khim. nauk. [Non-graphitizable carbon as anode material for sodium-ion batteries: diss. ... Cand. of Chemical Sciences]. Moscow, 2022, 113 p. (in Russ.).
Saurel D., Orayech B., Xiao B., Carriazo D., Li X., Rojo T. Advanced Energy Materials, 2018, vol. 8, article 1703268. https://doi.org/10.1002/aenm.201703268.
Stevens D.A., Dahn J.R. Journal of The Electrochemical Society, 2001, vol. 148, article A803. https://doi.org/10.1149/1.1379565.
Dahn J.R., Zheng T., Liu Y., Xue J.S. Science, 1995, vol. 270, pp. 590–593. https://doi.org/10.1126/science.270.5236.590.
Abramova E.N., Bobyleva Z.V., Drozhzhin O.A., Abakumov A.M., Antipov E.V. Russian Chemical Reviews, 2024, vol. 93, article RCR5100. https://doi.org/10.59761/RCR5100.
Beda A., Le Meins J.-M., Taberna P.-L., Simon P., Matei Ghimbeu C. Sustainable Materials and Technologies, 2020, vol. 26, article e00227. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00227.
Lakienko G.P., Bobyleva Z.V., Apostolova M.O., Sultanova Y.V., Dyakonov A.K., Zakharkin M.V., Sobolev N.A., Alekseeva A.M., Drozhzhin O.A., Abakumov A.M., Antipov E.V. Batteries, 2022, vol. 8, article 131. https://doi.org/10.3390/batteries8100131.
Liu P., Li Y., Hu Y.-S., Li H., Chen L., Huang X. Journal of Materials Chemistry A, 2016, vol. 4, pp. 13046–13052. https://doi.org/10.1039/C6TA04877C.
Moon H., Innocenti A., Liu H., Zhang H., Weil M., Zarrabeitia M., Passerini S. ChemSusChem, 2023, vol. 16, article e202201713. https://doi.org/10.1002/cssc.202201713.
Osman S., Peng C., Li F., Chen, H., Shen J., Zhong Z., Huang W., Xue D., Liu J. Advanced Science, 2022, vol. 9, article 2205575. https://doi.org/10.1002/advs.202205575.
Wang P., Zhu X., Wang Q., Xu X., Zhou X., Bao J. Journal of Materials Chemistry A, 2017, vol. 5, pp. 5761–5769. https://doi.org/10.1039/C7TA00639J.
Ouyang H., Ma Y., Gong Q., Li C., Huang J., Xu Z., Wei B. Journal of Alloys and Compounds, 2020, vol. 823, article 153862. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153862.
Ouyang H., Gong Q., Li C., Huang J., Xu Z. Materials Letters, 2019, vol. 235, pp. 111–115. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.10.020.
Nowak A.P., Lisowska-Oleksiak A. International Journal of Electrochemical Science, 2014, vol. 9, pp. 3715–3724. https://doi.org/10.1016/S1452-3981(23)08044-6.
Senthil C., Park J.W., Shaji N., Sim G.S., Lee C.W. Journal of Energy Chemistry, 2022, vol. 64, pp. 286–295. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.04.060.
Cui J., Xi Y., Chen S., Li D., She X., Sun J., Han W., Yang D., Guo S. Advanced Functional Materials, 2016, vol. 26, pp. 8487–8495. https://doi.org/10.1002/adfm.201603933.
Yu W., Wang H., Liu S., Mao N., Liu X., Shi J., Liu W., Chen S., Wang X. Journal of Materials Chemistry A, 2016, vol. 4, pp. 5973–5983. https://doi.org/10.1039/C6TA01821A.
Zhao Q., Meng Y., Li J., Xiao D. Applied Surface Science, 2019, vol. 481, pp. 473–483. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.143.
Cetintasoglu M.E., Taskin O.S., Aksu A., Eryalcin K.M., Keles O., Calgar N. Turkish Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2024, vol. 24, article TRJFAS26528. https://doi.org/10.4194/TRJFAS26528.
Salimi P., Javadian S., Norouzi O., Gharibi H. Environmental Science and Pollution Research, 2017, vol. 24, pp. 27974–27984. https://doi.org/10.1007/s11356-017-0181-1.
Salimi P., Norouzi O., Pourhoseini S.E.M., Bartocci P., Tavasoli A., Di Maria F., Pirbazari S.M., Bidini G., Fantozzi F. Renewable Energy, 2019, vol. 140, pp. 704–714. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.03.077.
Salimi P., Askari K., Norouzi O., Kamali S. Journal of Electronic Materials, 2019, vol. 48, pp. 951–963. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6826-0.
Belmesov A.A., Glukhov A.A., Kayumov R.R., Podlesniy D.N., Latkovskaya E.M., Repina M.A., Ivanov N.P., Tsvetkov M.V., Shichalin O.O. Coatings, 2023, vol. 13, article 2075. https://doi.org/10.3390/coatings13122075.
Zhang J., Zhang L., Yang S., Li D., Xie Z., Wang B., Xia Y., Quan F. Journal of Alloys and Compounds, 2017, vol. 701, pp. 256–261. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.01.082.
Wu X., Chen L., Xin S., Yin Y., Guo Y., Kong Q., Xia Y. ChemSusChem, 2010, vol. 3, pp. 703–707. https://doi.org/10.1002/cssc.201000035.
Li D., Lv C., Liu L., Xia Y., She X., Guo S., Yang D. ACS Central Science, 2015, vol. 1, pp. 261–269. https://doi.org/10.1021/acscentsci.5b00191.
Hu H., Cao L., Xu Z., Zhou L., Li J., Huang J. Materials Letters, 2016, vol. 185, pp. 530–533. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.08.110.
Lu M., Yu W., Shi J., Liu W., Chen S., Wang X., Wang H. Electrochimica Acta, 2017, vol. 251, pp. 396–406. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.08.131.
Lv C., Xu W., Liu H., Zhang L., Chen S., Yang X., Xu X., Yang D. Small, 2019, vol. 15, article 1900816. https://doi.org/10.1002/smll.201900816.
Sun X., Chen Y., Li Y., Luo F. Nanomaterials, 2022, vol. 13, article 82. https://doi.org/10.3390/nano13010082.
Issatayev N., Kalimuldina G., Nurpeissova A., Bakenov Z. Nanomaterials, 2021, vol. 12, article 22. https://doi.org/10.3390/nano12010022.
Wang T., Sha J., Wang W., Ji Y., Zhang Z.-M. Chinese Chemical Letters, 2023, vol. 34, article 107929. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2022.107929.
Ji Y., Wang T., Yao X., Gao J., Chu Y., Sun J., Dong H., Sha J. Journal of Energy Storage, 2025, vol. 106, article 114640. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.114640.
Wang T., Liu L., Wei Y., Gao Y., Wang S., Jia D., Zhang W., Sha J. Small, 2024, vol. 20, article 2309809. https://doi.org/10.1002/smll.202309809.
Agostini M., Brutti S., Hassoun J. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, vol. 8, pp. 10850–10857. https://doi.org/10.1021/acsami.6b01407.
Chemezov O.V., Isakov A.V., Apisarov A.P., Brezhestovskiy M.S., Bushkova O.V., Batalov N.N., Zaykov Yu.P., Shashkin A.P. Elektrokhimicheskaya energetika, 2013, vol. 13, pp. 201–204. (in Russ.).
Jin H., Huang Y., Wang C., Ji H. Small Science, 2022, vol. 2, article 2200015. https://doi.org/10.1002/smsc.202200015.
Subalakshmi P., Sivashanmugam A. ChemistrySelect, 2018, vol. 3, pp. 5040–5049. https://doi.org/10.1002/slct.201702197.
Wan S., Liu Q., Chen H., Zhu H., Wang Y., Cao S. Journal of Power Sources, 2022, vol. 542, article 231804. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231804.
Choi I., Ha S., Kim K.-H. Energies, 2024, vol. 17, article 2646. https://doi.org/10.3390/en17112646.
Zhang H., Fang S., Guo M., Fang Z., Qi L., Guo L., Qin Y., Bao H. Journal of Energy Storage, 2024, vol. 82, article 110584. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110584.
Chen J., Mu H., Ding J., Zhang Y., Wang W., Wang G. Nanoscale, 2022, vol. 14, pp. 8374–8384. https://doi.org/10.1039/D2NR01720B.
Beletskii E., Pinchuk M., Snetov V., Dyachenko A., Volkov A., Savelev E., Romanovski V. Chempluschem, 2024, vol. 89, article e202400427. https://doi.org/10.1002/cplu.202400427.
She J., Jin H., Ji H. ChemElectroChem, 2024, vol. 11, article e202300706. https://doi.org/10.1002/celc.202300706.
Lin L., Li M., Yan Y., Tian Y., Qing J., Chen S. Dalton Transactions, 2024, vol. 53, pp. 16871–16878. https://doi.org/10.1039/D4DT02623C.
Li Z., Wu Q., Zhou J., Qin H., Miao L., Liu W., Lei X., Ang Z., Lu A., Mo Z. Journal of Ceramics, 2024, vol. 45, pp. 501–507. https://doi.org/10.13957/j.cnki.tcxb.2024.03.008.
Nowak A.P., Lisowska-Oleksiak A., Wicikowska B., Gazda M. Journal of Solid State Electrochemistry, 2017, vol. 21, pp. 2251–2258. https://doi.org/10.1007/s10008-017-3561-z.
Wang Z., Xu C., Tammela P., Huo J., Strømme M., Edström K., Gustafsson T., Nyholm L. Journal of Materials Chemistry A, 2015, vol. 3, pp. 14109–14115. https://doi.org/10.1039/C5TA02136G.
Yang D., Xiong D., Feng Z., Wen K., Wu K., He M., Feng Y. Ionics, 2023, vol. 29, pp. 505–518. https://doi.org/10.1007/s11581-022-04833-8.
Xu T., Li D., Chen S., Sun Y., Zhang H., Xia Y., Yang D. Chemical Engineering Journal, 2018, vol. 345, pp. 604–610. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.01.099.
Sivagami I.N., Prasanna K., Santhoshkumar P., Jo Y.N., Seo G.Y., Lee C.W. Journal of Alloys and Compounds, 2017, vol. 697, pp. 450–460. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.177.
Lin Z., Wang G., Xiong X., Zheng J., Ou X., Yang C. Electrochimica Acta, 2018, vol. 269, pp. 225–231. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.03.010.
Zhang Y., Song X., Huang R., Ye Y., Cheng F., Li H. Journal of Materials Science, 2020, vol. 55, pp. 10740–10750. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04680-w.
Yang H., Liu W., Zhang Y., Wang H., Liu S., Chen S., Cheng F., Zhao S., Hao E. ChemElectroChem, 2017, vol. 4, pp. 1411–1418. https://doi.org/10.1002/celc.201700066.
Kang D., Liu Q., Si R., Gu J., Zhang W., Zhang D. Carbon, 2016, vol. 99, pp. 138–147. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.11.068.
Li D., Yang D., Zhu X., Jing D., Xia Y., Ji Q., Cai R., Li H., Che Y. Journal of Materials Chemistry A, 2014, vol. 2, pp. 18761–18766. https://doi.org/10.1039/C4TA03052D.
Lv C., Yang X., Umar A., Xia Y., Jia Y., Shang L., Zhang T., Yang D. Journal of Materials Chemistry A, 2015, vol. 3, pp. 22708–22715. https://doi.org/10.1039/C5TA06393K.
Liu L., Yang X., Lv C., Zhu A., Zhu X., Guo S., Chen C., Yang D. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, vol. 8, pp. 7047–7053. https://doi.org/10.1021/acsami.5b12427.
Zhang T., Zhu C., Shi Y., Li Y., Zhu S., Zhang D. Materials Letters, 2017, vol. 205, pp. 10–14. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.06.020.
Salimi P., Norouzi O., Pourhosseini S.E.M. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 786, pp. 930–937. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.048.
Li D., Yang D., Yang X., Wang Y., Guo Z., Xia Y., Sun S., Guo S. Angewandte Chemie International Edition, 2016, vol. 55, pp. 15925–15928. https://doi.org/10.1002/anie.201610301.
Li D., Sun Y., Chen S., Yao J., Zhang Y., Xia Y., Yang D. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, vol. 10, pp. 17175–17182. https://doi.org/10.1021/acsami.8b03059.
Liu H., Lv C., Chen S., Song X., Liu B., Sun J., Zhang H., Yang D., She X., Zhao X. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 795, pp. 54–59. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.213.
Wang Y., Liu M., Liu H., Ding J., Wang T., Dong J., Wang B., Tian X., Xia Y. Journal of Alloys and Compounds, 2023, vol. 952, article 169908. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169908.
Zhang Y., He T., Liu G., Zu L., Yang J. Nanoscale, 2017, vol. 9, pp. 10059–10066. https://doi.org/10.1039/C7NR03187D.
Guo R., Li D., Lv C., Wang Y., Zhang H., Xia Y., Yang D., Zhao X. Electrochimica Acta, 2019, vol. 299, pp. 72–79. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.01.011.
Nithya C. Metal Phosphates and Phosphonates. Fundamental to Advanced Emerging Applications. Springer; Cham, Switzerland, 2023, pp. 283–299. https://doi.org/10.1007/978-3-031-27062-8_16.
Xu S., Dong H., Yang D., Wu C., Yao Y., Rui X., Chou S., Yu Y. ACS Central Science, 2023, vol. 9, pp. 2012–2035. https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c01022.
Yagudin L.D., Zhukov A.V., Chizhevskaya S.V. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii, 2022, vol. 36, pp. 55–57. (in Russ.).
Makhov S.V., Ushakov A.V., Ivanishchev A.V., Gridina N.A., Churikov A.V., Gamayunova I.M., Volynskii V.V., Klyuev V.V. Electrochemical Energetics, 2017, vol. 17, pp. 99–119. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2017-17-2-99-119.
Rui X.H., Yesibolati N., Chen C.H. Journal of Power Sources, 2011, vol. 196, pp. 2279–2282. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.09.024
Zhang X., Kühnel R.-S., Schroeder M., Balducci A. Journal of Materials Chemistry A, 2014, vol. 2, pp. 17906–17913. https://doi.org/10.1039/C4TA03845B.
Pan A., Liu J., Zhang J.-G., Xu W., Cao G., Nie Z., Arey B.W., Liang S. Electrochemistry Communications, 2010, vol. 12, pp. 1674–1677. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2010.09.014.
Wei C., He W., Zhang X., Wang Y. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2016, vol. 27, pp. 11814–11824. https://doi.org/10.1007/s10854-016-5322-7.
Copyright (c) 2026 Химия растительного сырья
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
2. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
3. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу.
