Использование отходов зерноводства для производства литий-ионных аккумуляторов

Масштабирование производства зерновых культур в Калининградской области (Россия) сопровождается образованием более 200 тыс. т соломы в год, утилизация которой наносит экологический ущерб. Цель исследования – изучить возможность и целесообразность использования биоугля из соломы для производства литий-ионных аккумуляторов, а также выбрать наиболее перспективный метод и технологические параметры его получения. 
Объектом исследования служила солома озимой пшеницы, отобранная в хозяйствах Калининградской области. Сырье подвергали гидротермальной карбонизации с варьированием температуры (200–260 °C), времени (1–3 ч) и гидромодуля (1:6, 1:12, 1:18). Оптимальные режимы гидротермальной карбонизации составили: 260 °C, 60 мин, гидромодуль 1:12. Полученный биоуголь дополнительно подвергали многостадийному пиролизу при температуре до 800 °C. Характеристику продуктов проводили методами элементного анализа, гравиметрии, лазерной дифракции, а также электрохимическим тестированием в составе лабораторных литий-ионных аккумуляторов дискового типа в сравнении с коммерческим графитом AGP-2. Элементный состав исходной соломы показал высокое содержание углерода (44,2 %), что подтверждает ее пригодность для термохимической конверсии. После гидротермальной карбонизации при оптимальных условиях массовая доля углерода возрас- тала до 61,3 %, а после пиролиза – до 80–95 %. Средний размер частиц биоугля (D50 = 26,2 мкм) соответствует отраслевым стандартам для анодных материалов. Электрохимические испытания продемонстрировали, что опытный образец обладает более высокой начальной удельной емкостью по сравнению с коммерческим графитом, однако характеризуется пониженной стабильностью при циклировании, что обусловлено формированием твердого защитного межфазного слоя и аморфной структурой материала.
Экспериментально подтверждена возможность использования соломы озимой пшеницы в качестве прекурсора для синтеза биоугля, пригодного для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов. Данный подход снижает потребление невозобновляемых ресурсов и углеродный след агропромышленного комплекса. Дальнейшие исследования должны быть направлены на повышение стабильности электрохимических характеристик.

1. Роньжина Е. С. Озимая и яровая пшеница (Triticum aestivum L.) в агроклиматических условиях Калининградской области. Известия КГТУ. 2018. № 51. С. 100–110. https://elibrary.ru/VKJZKN

2. Богатырева Е. Н., Серая Т. М., Бирюкова О. М., Кирдун Т. М., Белявская Ю. А. и др. Коэффициент пересчета зерна и семян в побочной продукции и содержание основных элементов питания в побочно продукции сельскохозяйственных культур в Республике Беларусь. Почвоведение и агрохимия. 2016. № 2. С. 78–89. https://elibrary.ru/YQILAT

3. Xing X, Zhou Y, Lang J, Chen D, Cheng S, et al. Spatiotemporal variation of domestic biomass burning emissions in rural China based on a new estimation of fuel consumption. Science of the Total Environment. 2018;626:274–286. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.01.048

4. Самсонова Н. Е. Использование соломы в качестве органического удобрения. Смоленск: Смоленская государ- ственная сельскохозяйственная академия, 2014. 16 с. https://elibrary.ru/YWOGKT

5. Qiao YQ, Cao CF, Zhao Z, Du SZ, Zhang YL, et al. Effects of straw returning and N fertilizer application on yield, quality and occurrence of Fusarium head blight of wheat. Journal of Triticeae Crops. 2013;33:727–731.

6. Тарабанько В. Е., Коропачинская Н. В., Кудряшев А. В., Первышина Е. П., Кузнецов Б. Н. и др. Исследование процесса переработки пшеничной соломы в ароматические альдегиды и левулиновую кислоту. Химия растительного сырья. 1998. № 3. С. 59–64. https://elibrary.ru/HYSSHP

7. Santulli C. The use of wheat straw as an agricultural waste in composites for semi-structural applications. In: Thakur VK, Thakur MK, Kessler MR, editors. Handbook of Composites from Renewable Materials. 2017. p. 515–531. https://doi.org/10.1002/9781119441632.ch38

8. Shafaet A, Srinivas J, Madhav Y. Biodegradable films from the lignocellulosic fibers of wheat straw biomass and the effect of calcium ions. International Journal of Biological Macromolecules. 2024;264(1):130601. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.130601

9. Zhang L, Jiang J, Holm N, Chen F. Mini-chunk biochar supercapacitors. Journal of Applied Electrochemistry. 2014; 44(10):1145–1151. https://doi.org/10.1007/s10800-014-0726-7

10. Seroka N, Luo H, Khotseng L. Biochar-derived anode materials for lithium-ion batteries: A review. Batteries. 2024; 10:144. https://doi.org/10.3390/batteries10050144

11. Shi Z, Jin Y, Han T, Yang H, Gond R, et al. Bio-based anode material production for lithium–ion batteries through catalytic graphitization of biochar: The deployment of hybrid catalysts. Scientific Reports. 2024;14:3966. https://doi.org/10.1038/s41598-024-54509-8

12. Manyà J, Gascó G. Biochar as a sustainable resource to drive innovative green technologies. In: Manyà JJ, Gascó G, editors. Biochar as a renewable-based material: With applications in agriculture, the environment and energy. New Jersey: World Scientific Publishing Europe Ltd.; 2021. pp. 1–33.

13. Kane S, Storer A, Xu W, Ryan C, Stadie NP. Biochar as a renewable substitute for carbon black in lithiumion battery electrodes. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2022;10(37):12226–12233. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c02974

14. Трешкина Ю. И., Крюков А. Ю., Самодуров А. А., Братков И. В., Десятов А. В. Сферический графит для анодов литий-ионных аккумуляторов. Успехи в химии и химической технологии. 2024. Т. 38. № 8. С. 112–115. https://elibrary.ru/MLWBTO

15. Kulkarni S, Huang T, Thapaliya B, Luo H, Dai S, et al. Prospective life cycle assessment of synthetic graphite manufactured via electrochemical graphitization. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2022;10(41):13607–13618. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c02937

16. Ding C, Gan Y, Cui Y, Luo J. Wheat straw biochar and its performance in treatment of phenanthrene containing water and microbial remediation of phenanthrene contaminated soil. Frontiers in Environmental Science. 2022;10:1039603. https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.1039603

17. Vernardou D, Psaltakis G, Tsubota T, Katsarakis N, Kalderis D. Challenges and perspectives of biochar anodes for lithium-ion batteries. Future Batteries. 2024;4:100011. https://doi.org/10.1016/j.fub.2024.100011

18. Sarma H, Sun J, Hora Y, Forsyth M, Byrne N. Effect of carbonization behaviour of cotton biomass in electrodes for sodium‐ion batteries. ChemElectroChem. 2023;10(14):e202300127. https://doi.org/10.1002/celc.202300127

19. Khan T, Saud A, Jamari S, Hasbi M, Rahim M, et al. Hydrothermal carbonization of lignocellulosic biomass for carbon rich material preparation: A review. Biomass and Bioenergy. 2019;130:105384. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2019.105384

20. Харина М. В., Терехова Л. М., Емельянов В. М. Состав, структура и перспективы энергоресурсосберегающей переработки соломы злаковых культур. Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 24. С. 168– 174. https://elibrary.ru/THHJKR