泡沫颗粒,变身锂电池电极

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搬过家、收过包裹之后,家里总会多出一些没用的包装填充材料,而在最近,普渡大学的研究者们展示了一种新的回收利用泡沫填充材料的方法——在经过加工之后,包装箱中常用的泡沫填充颗粒(packing peanuts)被制成了可以用于锂电池的电极,而且这种电极与传统石墨电极相比性能更优。这项研究成果近日在第249届美国化学学会全国会议上进行了发表。

如今,大多数锂离子电池的负极都是由石墨制成的。锂离子存在于电池的电解液中,在充电时,这些离子会“嵌入”到石墨电极当中。而现在,普渡大学的研究者们分别利用聚苯乙烯泡沫塑料颗粒和淀粉基泡沫塑料颗粒制成了新型的碳纳米微粒和微片(microsheet)电极。

博士后研究助理维诺德库马尔·以大谢立(Vinodkumar Etacheri)表示:“我们在布置新实验室的时候剩下了很多泡沫塑料颗粒。维拉斯·波尔(Vilas Pol)教授建议我们想办法把这些废物利用起来。”

无心插柳柳成荫,这个建议引出了一种废弃泡沫塑料颗粒的回收处理新工艺。波尔说,与商用石墨电极相比,这种新型电极的充电速度更快,电容量也更高。

“作为运输包装填充物,泡沫塑料颗粒在全球范围内被广泛使用。但是它难以降解,而且循环利用率只有大约10%。”波尔说:“这些泡沫颗粒的密度很小,进行回收时需要很大的容器来存放。回收所需的成本很高,却没有什么利润。”

结果,废弃泡沫塑料颗粒经常是作为垃圾填埋,而它们在填埋后的数十年内都不会降解。虽然淀粉基的泡沫塑料颗粒比聚苯乙烯的材料更容易降解,但是其中添加的化学物质依然会进入土壤和水系,产生潜在的环境威胁。

而这种新工艺则将有望解决泡沫材料的回收问题。这种加工工艺非常简单直接,它只需要在惰性气体的环境中将泡沫颗粒加热到500~900℃即可,有时还需要加入过渡金属盐类作为催化剂。在经过加热之后,就可以将泡沫材料转化成碳纳米颗粒和微片,并最终制成锂电池所需的碳电极。

这项无害化工艺成本低廉,有潜力应用于大规模生产。而且分析数据显示,这种电极具有比传统石墨电极更加优越的电化学性能。在锂电池充电和放电的过程中,锂离子要经历“嵌入”到电极结构中,以及从中“脱嵌”的过程。因此,电极材料容纳锂离子的能力就会成为影响电池性能的关键因素。而新型电极中多孔的微观结构使得它能够拥有更好的锂离子“存储”能力。

碳微片的显微结构。图片来自:ACS

据研究者介绍,这种泡沫材料制成的新型电极比容量最大可达到420 毫安时/克(mAh/g),而传统石墨电极的比容量最多只有372毫安时/克(mAh/g)。这种新型电极也可以让充电速度变得更快。

目前看来,这种新型碳电极也表现出了较好的稳定性。以大谢立介绍说:“这些碳电极的电化学性能能够保持长期稳定。充放电300次之后,电池容量没有出现明显的减少。这些碳电极也很有希望应用于钠离子充电电池当中。在后续工作中,我们会尝试通过增加材料表面积和孔径来进一步提升电化学性能,来进一步挖掘碳电极的潜力。”(编辑:窗敲雨)

编译来源

Purdue University, New processing technology converts packing peanuts to battery components

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