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，波特菇(portabella mushroom)可用于讓手機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(yáng)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)界標準的可充電鋰離子電池陽(yáng)極一般采用人造石墨，這種人造石墨需要繁瑣的凈化與準備過(guò)程，使得制造成本較高，而且也對環(huán)境有害。

 

隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)(EV)與電子產(chǎn)品對于電池的需求持續增加，業(yè)界正積極尋找一種便宜且永續的能源來(lái)取代石墨。利用生物質(zhì)(biomass)，從生物或有生命的有機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(lái)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，因為過(guò)去的研究已經(jīng)確定了這種波特菇具有相當多孔的特性，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，因為它可為能量的儲存與轉換提供更多的空間，可說(shuō)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。

 

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

 

“使用這種電池材料，未來(lái)的手機電池可望在多次使用后仍具有高續航力，而不至于隨時(shí)間的演進(jìn)而越來(lái)越少；這是由于在電池充電與放電過(guò)程中活化了電池碳架構中的盲孔，”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。

 

這項主題為“鋰離子電池的生物衍生、無(wú)黏合劑、分層多孔陽(yáng)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(lái)的碳納米結構(例如蘑菇)，可望成為取代電池中石墨陽(yáng)極的綠色、永續替代材料。

 

 

 

納米帶狀結構經(jīng)過(guò)熱處理后可轉變成為互連的多孔網(wǎng)絡(luò )結構，這對于電池陽(yáng)極來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因為這種結構具有非常大的表面積，可用于儲存能量，可說(shuō)是改善電池性能的關(guān)鍵。

 

加州大學(xué)河濱分校電子與計算機工程教授Mihri Ozkan指出，諸如石墨等傳統碳材料的問(wèn)題之一在于通常得同時(shí)用酸和堿等化學(xué)材料來(lái)準備，而其活化過(guò)程又很不環(huán)保。因此，該校研究團隊專(zhuān)注于研究利用大自然的碳材料來(lái)制造電池，例如采用波特菇的菌傘表皮。

 

根據統計，2020年以前預計全球將打造近6百萬(wàn)輛電動(dòng)車(chē)，這大約需要90萬(wàn)噸石墨原材料來(lái)制造電池陽(yáng)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(lái)處理石墨，過(guò)程中可能導致大量的有害廢料。歐盟(EU)預計未來(lái)將不再繼續使用這種途徑。