充電電池新突破：橡膠葉

材料牛注：上個月，一項關于采用鈉替代鋰制作可充電電池的探索有了意外的發現。來自馬里蘭大學和北京國家納米科學中心的科學家發現，對富含鈉元素的橡膠葉進行烘烤，烘烤后可以成功的匹配poc電池的負極端。

正如每位做過檸檬（或者馬鈴薯）電池實驗的人所知，通過有機物制作電池是完全可行的，并且可以通過改變它的部分結構進而生產出鈉電池。

理論上，鈉元素理比鋰元素擁有更多電荷，更容易制造電池，但是實際中卻發現鈉元素無法實現多個充放電循環。而其中的亟待解決的難題之一便是尋找能夠與鈉兼容的合適的負極材料。例如，石墨可以作為鋰離子電池中的正極材料，但由于鈉元素的離子半徑遠大于鋰元素，把石墨應用于鈉離子電池中并不適合。石墨烯盡管可以滿足使用條件，生產耗時而且價格昂貴則制約了其在電池中的應用。

在研究有機物電池得早期實驗中，研究人員曾嘗試使用過泥煤苔、香蕉皮和西瓜皮等有機物，但是這些材料都需要額外的處理和涂裝。“自然狀態下的橡樹葉已經滿足制作電池的基本需求：較小的表面積可以減少缺陷；許多排列緊密的微小結構用于擴展空間；內部結構的形狀和尺寸可以滿足鈉電解質的需求，”沈飛作為參與電池項目的學生，向我們解釋了采用橡膠葉的一些考慮。

在橡樹葉的電池生產中，科學家們首先熱解干燥的橡樹葉，通過在1,000° C (1,832° F) 的無氧基中烘烤一個小時來去除其中所有的碳結構。之后將橡樹葉在氯化氫中浸泡六小時，以便除去其他的可能干擾電化學反應的無機雜質。

最后，碳化后的橡樹葉留在底部并保持著用來吸收水分和交換氣體的孔隙。在這種狀態下的橡樹葉可以充分的吸收鈉電解質。此時，橡樹葉韌部的炭層會變成納米碳層用于吸收鈉元素中的電荷。同時，碳化狀態下橡樹葉的頂部是平整、致密的，使用于電化學反應中集電極平面。

此外研究團隊使用帶有鈉元素板的扣式電池作為計數/參考電極，結果表明橡樹葉自身完全可以充當鈉電池的正極，并且其每克可以儲存360毫安的電量。

通過對橡樹葉正極材料進行可循環性測試，發現經過200次循環使用后其可以保持90%的儲量。此外，更有意思的是科學家發現由于葉膜具有較小表面積，形成了較少的SEI（固態電解質膜），這樣它可以保持75%左右的充電效率。

“我們嘗試過使用其木質纖維等其他的自然材料來制造電池，”馬里蘭大學能量中心的材料學教授胡梁斌說道，“但通過實驗最終選擇了橡樹葉，通過改造橡樹葉來存儲能量供以后使用，并且在這種方式下可以存儲大量能量，這也是一種對環境較為友好的方式”。

目前研究人員已經實驗將不同類型的橡樹葉堆放在一起并結合起來，并且計劃測試不同種類的橡樹葉來尋找最佳的能量存儲性能。這項研究成果已經發表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，但他們表示并沒有將這項技術商業化的打算。

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感謝材料人編輯部趙慧杰提供素材