那款能替代石墨的蘑菇電池是怎么回事？

美國加州大學(xué)河濱分校 (UC Riverside)工程學(xué)院的研究人員們發(fā)現(xiàn)，波特菇(portabella mushroom)可用于讓手機(jī)電池的性能與容量免于隨時(shí)間演進(jìn)而退化的影響。

 

研究人員利用波特菇制造出新型的鋰離子電池陽極，這種波特菇的價(jià)格便宜、環(huán)保，而且易于生產(chǎn)。相形之下，目前業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的可充電鋰離子電池陽極一般采用人造石墨，這種人造石墨需要繁瑣的凈化與準(zhǔn)備過程，使得制造成本較高，而且也對環(huán)境有害。

 

隨著電動(dòng)車(EV)與電子產(chǎn)品對于電池的需求持續(xù)增加，業(yè)界正積極尋找一種便宜且永續(xù)的能源來取代石墨。利用生物質(zhì)(biomass)，從生物或有生命的有機(jī)體中取得可代替石墨的生物材料，由于其中含碳量高、低成本且環(huán)保，近來已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注了。

 

加州大學(xué)河濱分校的工程師對于利用蘑菇作為生物質(zhì)能的形式特別感興趣，因?yàn)檫^去的研究已經(jīng)確定了這種波特菇具有相當(dāng)多孔的特性，顯示他們有許多小空間可讓液體或空氣流通。這種孔隙度對于電池也十分重要，因?yàn)樗蔀槟芰康膬Υ媾c轉(zhuǎn)換提供更多的空間，可說是改善電池性能的關(guān)鍵。

 

此外，蘑菇中的高鉀鹽濃度還可活化更多孔隙，使其隨時(shí)間進(jìn)展增加電解質(zhì)活性材料，從而逐漸提高性能。

 

傳統(tǒng)的陽極讓鋰離子在前幾個(gè)周期內(nèi)完全存取大部份材料，同時(shí)，電極也從那時(shí)起開始損壞而影響電池容量。波特菇碳陽極技術(shù)在優(yōu)化后可取代石墨陽極，而且還能提供一種無黏合劑與免電流收集器的方式來制造陽極。

 

“使用這種電池材料，未來的手機(jī)電池可望在多次使用后仍具有高續(xù)航力，而不至于隨時(shí)間的演進(jìn)而越來越少；這是由于在電池充電與放電過程中活化了電池碳架構(gòu)中的盲孔，”加州大學(xué)河濱分校材料科學(xué)與工程系研究生Brennan Campbell表示。

 

這項(xiàng)主題為“鋰離子電池的生物衍生、無黏合劑、分層多孔陽極研究”(Bio-Derived, Binderless, Hierarchically Porous Carbon Anodes for Li-ion Batteries)的研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Scientific Reports》期刊中，作者包括加州大學(xué)河濱分校工程學(xué)院教授Cengiz Ozkan與Mihri Ozkan及其學(xué)生Campbell、Robert Ionescu與 Zachary Favors等人。

 

該校機(jī)械工程以及材料科學(xué)與工程教授Cengiz Ozkan表示，從生物材料衍生而來的碳納米結(jié)構(gòu)(例如蘑菇)，可望成為取代電池中石墨陽極的綠色、永續(xù)替代材料。

 

 

 

納米帶狀結(jié)構(gòu)經(jīng)過熱處理后可轉(zhuǎn)變成為互連的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這對于電池陽極來說至關(guān)重要，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有非常大的表面積，可用于儲存能量，可說是改善電池性能的關(guān)鍵。

 

加州大學(xué)河濱分校電子與計(jì)算機(jī)工程教授Mihri Ozkan指出，諸如石墨等傳統(tǒng)碳材料的問題之一在于通常得同時(shí)用酸和堿等化學(xué)材料來準(zhǔn)備，而其活化過程又很不環(huán)保。因此，該校研究團(tuán)隊(duì)專注于研究利用大自然的碳材料來制造電池，例如采用波特菇的菌傘表皮。

 

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年以前預(yù)計(jì)全球?qū)⒋蛟旖?百萬輛電動(dòng)車，這大約需要90萬噸石墨原材料來制造電池陽極。然而，目前必須使用氫氟酸和硫酸等刺激性的化學(xué)材料來處理石墨，過程中可能導(dǎo)致大量的有害廢料。歐盟(EU)預(yù)計(jì)未來將不再繼續(xù)使用這種途徑。