用樹葉做電池？

王媛媛

在美國(guó)馬里蘭大學(xué)，最美的景色出現(xiàn)在秋季。校園里遍布著橡樹，每年深秋，大量的樹葉會(huì)從樹上掉落，幾乎能鋪滿校園內(nèi)的所有草坪。

不過(guò)，作為一所研究型的大學(xué)，這里的學(xué)生和教授們可能不會(huì)因?yàn)檫@樣的場(chǎng)景產(chǎn)生什么詩(shī)意，但它的確也會(huì)帶來(lái)一些靈感。比如其能源研究中心的一個(gè)課題組，就從落下的橡樹葉上看到了新的價(jià)值—不是一首詩(shī)的主題，而是一種制作鈉電池的新材料。

該課題組的研究項(xiàng)目是，如何利用具有自支撐結(jié)構(gòu)的多孔碳膜，作為負(fù)極材料來(lái)實(shí)現(xiàn)鈉離子的存儲(chǔ)，通俗點(diǎn)說(shuō)，就是研究人員需要尋找能儲(chǔ)存鈉離子的最佳載體，然后制作成電池。這個(gè)載體應(yīng)該是薄膜結(jié)構(gòu)，需要有能容納鈉離子并允許其流動(dòng)的多孔，最好還是在自然界本身就存在的形態(tài)。

最后一點(diǎn)其實(shí)很關(guān)鍵。因?yàn)殁c離子電池主要的應(yīng)用場(chǎng)景就是大規(guī)模能源存儲(chǔ)，比如電站等，所以，較低的電極材料成本是一個(gè)必要條件。目前，全球研究鈉離子電池的項(xiàng)目，都會(huì)嘗試將自然界中的各種生物質(zhì)原料搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里。

但出于該領(lǐng)域一直遵循的一個(gè)習(xí)慣，此前，這些實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的電極材料基本都是粉末狀的，用這種原料制作電極時(shí)，需要先黏合、再制導(dǎo)，整個(gè)工藝比較復(fù)雜。另外，這些電極材料首次充放電的庫(kù)倫效率（第一次釋放出的鈉離子與充入的鈉離子的比值）普遍不高，容易造成電極材料的浪費(fèi)。

所以，馬里蘭的研究員們這次的研究首先就明確了一點(diǎn)：找到一種本身就呈現(xiàn)二維薄膜狀結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)，以作為鈉電池的現(xiàn)成載體，再將其碳化，直接得到連續(xù)的導(dǎo)電多孔碳膜。

解決這個(gè)問(wèn)題的答案意想不到的簡(jiǎn)單—自然界中的葉子，不僅是天然的二維薄膜結(jié)構(gòu)，而且還因?yàn)楣夂献饔?，是一種天然的多孔材料。葉子的厚度基本在 100微米左右，與電池中負(fù)極極片的厚度相當(dāng)。而且，橡樹葉的背面布滿細(xì)孔，可以充分吸收鈉電子，如此，正面就會(huì)成為一層層納米結(jié)構(gòu)碳，可以吸收攜帶電荷的鈉，整個(gè)過(guò)程形成了鈉電池的正負(fù)兩極—不只橡樹葉，其他具有類似結(jié)構(gòu)的樹葉也可以使用。

研究人員先把橡樹葉放入1000攝氏度的高溫中烘烤一小時(shí)，讓樹葉完全碳化，形成了自支撐的碳膜，隨后把鈉加入其中。

“研究了它的鈉離子存儲(chǔ)性能后，結(jié)果如我們所料，儲(chǔ)鈉容量與粉末狀生物質(zhì)相當(dāng)，表面積卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他粉末狀生物質(zhì)基碳材料，因此，其首次庫(kù)倫效率非常高，接近75%，這就大大提高了電極材料的使用效率?！眳⑴c了馬里蘭大學(xué)這一課題，并且是該課題主要負(fù)責(zé)人之一的李紅變對(duì)《第一財(cái)經(jīng)周刊》說(shuō)，她的另一個(gè)身份是中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心副研究員。

此前，馬里蘭大學(xué)這個(gè)課題組試驗(yàn)過(guò)不少鈉離子電池材料，比如碳化的納米紙。但是這需要先制備納米纖維素，再制備納米紙以及碳化，過(guò)程比較耗時(shí)，成本也較高。這個(gè)團(tuán)隊(duì)甚至還曾將一塊極薄的木片裹上錫，制作出微小、長(zhǎng)效的電池—這個(gè)研究或許也給了他們采用樹葉的靈感。不過(guò)，木質(zhì)電池存儲(chǔ)量并不大，而且并不如掉落下的廢棄樹葉環(huán)保。

但樹葉材料的鈉離子電池研發(fā)的最大難點(diǎn)是，如何制備大面積的碳膜。李紅變他們的方法是，在碳化過(guò)程中將樹葉疊加起來(lái)，這使得樹葉被“焊接”在了一起。而且，讓研究人員們驚喜的是，這并沒(méi)有影響樹葉的導(dǎo)電性，被“焊接”起來(lái)的層層樹葉的這一性能，基本與單片樹葉持平。

相比目前已廣泛應(yīng)用的鋰電池，鈉離子電池的應(yīng)用場(chǎng)景還比較局限。這是因?yàn)殁c離子的半徑更大，在電極材料中的遷移難度要大于鋰離子，因此，充放電速度過(guò)快時(shí)，容量會(huì)迅速下降。這也是鈉離子電池現(xiàn)在仍主要用于對(duì)充放電速度要求不是特別敏感的領(lǐng)域，而未能出現(xiàn)在手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品上的原因。

另外，同樣質(zhì)量的電池，鋰電池能提供更高的電壓。并且，鈉離子質(zhì)量是鋰離子的3倍，從產(chǎn)品輕便性的角度來(lái)看，鋰元素也似乎是首選。

鋰離子電池已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，技術(shù)也相對(duì)成熟。但是由于鋰資源有限，集中分布在南美，開發(fā)成本較高，近幾年，各種智能消費(fèi)電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，以及汽車行業(yè)對(duì)新能源汽車的大力投資，也進(jìn)一步拉高了全球的鋰價(jià)。

碳酸鋰的價(jià)格從去年12月初的每噸8萬(wàn)元，已經(jīng)飆升到了現(xiàn)在的每噸近20萬(wàn)元，而2014年年初，碳酸鋰的報(bào)價(jià)僅在每噸3.8萬(wàn)元左右。

所以，尋找鋰的替代品，也成為能源研究者們目前的一個(gè)重點(diǎn)，而鈉離子就是其中一個(gè)選擇。

鈉元素在地殼上的含量超過(guò)2.6%，屬于較豐富的資源—而在更大范圍的海洋中，鈉也是一個(gè)主要元素，所以相對(duì)于鋰資源，它成本較低廉。如果選取樹葉作為電極材料，更是沒(méi)有成本—那些掉落下來(lái)的樹葉，撿起來(lái)就好了。

但充放電速度確實(shí)是限制鈉離子電池進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?！案倪M(jìn)材料孔結(jié)構(gòu)、采用不同類型的鈉離子存儲(chǔ)機(jī)制等等方式，有可能改進(jìn)充放電速度對(duì)鈉離子電池的限制，這也是我們未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。”李紅變說(shuō)。

事實(shí)上，有其他研究者似乎已找到了讓鈉離子電池“替代”鋰電池的方法。去年11月，法國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就研發(fā)出了一款“18650”型號(hào)的鈉電池，也就是底面直徑為1.8厘米，高度為6.5厘米的柱狀電池。這算是鈉離子電池研究領(lǐng)域的一個(gè)突破，因?yàn)閾?jù)說(shuō)，“18650電池可以被普遍用于筆記本、LED手電等消費(fèi)電子產(chǎn)品，以及特斯拉Model S等電動(dòng)汽車上，它擁有和鋰電池同樣的電量提供能力。

目前，豐田也在研究一款以鈉電池為驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)汽車，而英國(guó)公司Faradion則與牛津大學(xué)合作，研發(fā)出了一款以鈉電池為驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)自行車。Faradion就是一家鈉電池公司，而且產(chǎn)品專為新能源車研發(fā)。

所以，說(shuō)不定哪一天，你的智能手機(jī)、平板電腦的電池里或許就會(huì)有幾片樹葉呢。