А. Отенов1, Н. Меруерт2, А. Сейтказинова3, С. В. Агасиева4

1, 4 Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы (Москва, Россия)
1–3 Казахский национальный унивepситeт им. аль-Фаpаби, (Алматы, Казахстан)
1 аdlet240603@gmаil.соm, 2 meruert82@mаil.ru, 3 аikо3126@mаil.ru

Постановка проблемы. Быстрое развитие энергохранилищ требует появления новых, недорогих и эффективных матери­алов для электродов. Углеродные нановолокна, получаемые из биомассы и полимеров, представляют в этом плане интерес благодаря сочетанию пористой структуры и хорошей электропроводности.

Цель. Исследовать структурно-морфологические и электрохимические свойства углеродных нановолокон, полученных элект­роформованием из композиции древесных опилок и полиакрилонитрила (ПАН) в соотношении 30:70, и оценить влияние температуры карбонизации на характеристики материалов.

Результаты. Образец, карбонизованный при 800°C (УНВ-800), показал оптимальное сочетание структурной стабильности и электрохимических характеристик. В первом цикле при плотности тока 100 мА/г УНВ-800 продемонстрировал начальную удельную емкость 798 мА·ч/г. При длительном циклировании (500 циклов) при 500 мА/г все образцы сохраняли рабо­тоспособность; УНВ-800 удерживал емкость на уровне 300–400 мА·ч/г. Повышение температуры карбонизации приводило к изменению пористой структуры и электропроводности, что отражалось на емкостных характеристиках.

Практическая значимость. Полученные материалы перспективны для использования в электродах накопителей энергии и других электрохимических устройствах; применение биомассового компонента снижает себестоимость и повышает экологич­ность производства.

Отенов А., Меруерт Н., Сейтказинова А., Агасиева С.В. Синтез углеродных нановолокон из органосольвентного лигнина методом электроформования // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2026. Т. 18. № 2. С. 29–37. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202602-03

1. Ji D., Lin Y., Guo X. et al. Electrospinning of nanofibres // Nat Rev Methods Primers. 2024. № 4. Р. 1. doi:10.1038/s43586-023-00278-z.
2. Liu C., Yan X., Hu F., Gao G., Wu G., Yang X. Toward superior capacitive energy storage: Recent advances in pore engineering for dense electrodes // Advanced Materials. 2018. № 30(1). Р. e1705713. doi:10.1002/adma.201705713.
3. Wu P., Cheng S., Yang L., Lin Z., Gui X., Ou X., Zhou J., Yao M., Wang M., Zhu Y. et al. Synthesis and characterization of self‑standing and highly flexible δ‑MnO₂@CNTs/CNTs composite films for direct use as supercapacitor electrodes // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. № 8(36). Р. 23721–23728. doi:10.1021/acsami.6b06806.
4. Li Y., Xu J., Feng T., Yao Q., Xie J., Xia H. Fe₂O₃ nanoneedles on ultrafine nickel nanotube arrays as efficient anode for high‑performance asymmetric supercapacitors // Advanced Functional Materials. 2017. № 27(4). Р. 1606728. doi:10.1002/adfm.201606728.
5. Zhang C., Yin H., Han M., Dai Z., Pang H., Zheng Y., Lan Y.‑Q., Bao J., Zhu J. Two‑dimensional tin selenide nanostructures for flexible all‑solid‑state supercapacitors // ACS Nano. 2014. № 8(4). Р. 3761–3770. doi:10.1021/nn5004315.
6. Wu J., Park H. W., Yu A., Higgins D., Chen Z. Facile synthesis and evaluation of nanofibrous iron–carbon based non‑precious oxygen reduction reaction catalysts for Li–O₂ battery applications // The Journal of Physical Chemistry C. 2012. № 116(17). Р. 9427–9432. doi:10.1021/jp301282h.
7. Palacín M. R., de Guibert A. Why do batteries fail? // Science. 2016. № 351(6273). Р. 1253292. doi:10.1126/science.1253292.
8. Tiwari A. P., Chae S.‑H., Ojha G. P., Dahal B., Mukhiya T., Lee M., Chhetri K., Kim T., Kim H.‑Y. Three‑dimensional porous carbonaceous network with in‑situ entrapped metallic cobalt for supercapacitor application // Journal of Colloid and Interface Science. 2019. № 553. Р. 622–630. doi:10.1016/j.jcis.2019.06.070.
9. Wang L., Zhang G., Zhang X., Shi H., Zeng W., Zhang H., Liu Q., Li C., Liu Q., Duan H. Porous ultrathin carbon nanobubbles formed carbon nanofiber webs for high‑performance flexible supercapacitors // Journal of Materials Chemistry A. 2017. № 5. Р. 14801–14810. doi:10.1039/c7ta03445h.
10. Zhang B., Kang F., Tarascon J.‑M., Kim J.‑K. Recent advances in electrospun carbon nanofibers and their application in electrochemical energy storage // Progress in Materials Science. 2016. № 76. Р. 319–380. doi:10.1016/j.pmatsci.2015.08.002.
11. Xue J., Wu T., Dai Y., Xia Y. Electrospinning and electrospun nanofibers: Methods, materials, and applications // Chemical Reviews. 2019. № 119(8). Р. 5298–5415. doi:10.1021/acs.chemrev.8b00593.
12. Zhang W.‑J. A review of the electrochemical performance of alloy anodes for lithium‑ion batteries // Journal of Power Sources. 2011. № 196(1). Р. 13–24. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.07.020.
13. Wang H., Abe T., Maruyama S., Iriyama Y., Ogumi Z., Yoshikawa K. Graphitized carbon nanobeads with an onion texture as a lithium‑ion battery negative electrode for high‑rate use // Advanced Materials. 2005. № 17(23). Р. 2857–2860. doi:10.1002/adma.200500320.
14. Zhang K., Li X., Liang J., Zhu Y., Hu L., Cheng Q., Guo C., Lin N., Qian Y. Nitrogen‑doped porous interconnected double‑shelled hollow carbon spheres with high capacity for lithium‑ion and sodium‑ion batteries // Electrochimica Acta. 2015. № 155. Р. 174–182. doi:10.1016/j.electacta.2014.12.108.
15. Yoon S., Lee S., Kim S., Park K.‑W., Cho D., Jeong Y. Carbon nanotube film anodes for flexible lithium‑ion batteries // Journal of Power Sources. 2015. № 279. Р. 495–501. doi:10.1016/j.jpowsour.2015.01.013.
16. Yu Y., Yang Q., Teng D., Yang X., Ryu S. Reticular Sn nanoparticle‑dispersed PAN‑based carbon nanofibers for anode material in rechargeable lithium‑ion batteries // Electrochimica Acta. 2009. № 55. Р. 521–525.
17. Yoon S.‑H., Park C.‑W., Yang H., Korai Y., Mochida I., Baker R. T. K., Rodriguez N. M. Novel carbon nanofibers of high graphitization as anodic materials for lithium ion secondary batteries // Carbon. 2004. № 42(1). Р. 21–32. doi:10.1016/j.carbon.2003.09.021.
18. Yan X., Teng D., Jia X., Yu Y., Yang X. Improving the cyclability and rate capability of carbon nanofiber anodes through in situ generation of SiOx‑rich overlayers // Electrochimica Acta. 2013. № 108. Р. 196–203. doi:10.1016/j.electacta.2013.06.086.
19. Zhan Y., Zhang B., Cao L., Wu X., Lin Z., Yu X., Zhang X., Zeng D., Xie F., Zhang W. et al. Iodine doped graphene as anode material for lithium ion battery // Carbon. 2015. № 94. Р. 1–8. doi:10.1016/j.carbon.2015.06.039.
20. Zhang J., Hu Y.‑S., Tessonnier J.‑P., Weinberg G., Maier J., Schlögl R., Su D. S. CNFs@CNTs: Superior carbon for electrochemical energy storage // Advanced Materials. 2008. № 20(8). Р. 1450–1455. doi:10.1002/adma.200701685.
21. Kim C., Ngoc B. T. N., Yang K. S., Kojima M., Kim Y. A., Kim Y. J., Endo M., Yang S. C. Fabrication of electrospinning‑derived carbon nanofiber webs for the anode material of lithium‑ion secondary batteries // Advanced Functional Materials. 2006. № 16(18). Р. 2393–2397. doi:10.1002/adfm.200500911.
22. Zhang X., Han S., Fan C., Li L., Zhang W. Hard carbon enveloped with graphene networks as lithium ion battery anode // Materials Letters. 2015. № 138. Р. 259–261. doi:10.1016/j.matlet.2014.10.023.
23. Zou G., Zhang D., Dong C., Li H., Xiong K., Fei L., Qian Y. Carbon nanofibers: Synthesis, characterization, and electrochemical properties // Carbon. 2006. № 44(5). Р. 828–832.
24. Tao L., Huang Y., Yang X., Zheng Y., Liu C., Di M., Zheng Z. Flexible anode materials for lithium‑ion batteries derived from waste biomass‑based carbon nanofibers: Effect of carbonization temperature // RSC Advances. 2018. № 8. Р. 7102–7109. doi:10.1039/c7ra13639k
25. Peng Y.‑T., Lo C.‑T. Effect of microstructure and morphology of electrospun ultra‑small carbon nanofibers on anode performances for lithium‑ion batteries // Journal of The Electrochemical Society. 2015. № 162(6). Р. A1085–A1093. doi:10.1149/2.0061507jes.