改善電池性能：科學家用廢棄蛋殼做電極材料

（a）實驗用蛋殼作為反應裝置（b）反應系統說明

材料牛注：底特律Wayne State University的研究人員發現，廢棄的蛋殼用于制作電池的電極，可以有效提高電池的性能。

美國人每年消耗約760億個雞蛋,雖然有一些蛋殼用于肥料或膳食補充劑，但大多數蛋殼都會被扔掉。Wayne State University的研究人員新研究發現，可以回收蛋殼用作“化學反應堆”去合成含硫納米棒制作成電池電極。

“每天有大量的雞蛋被消耗,但處置蛋殼垃圾仍然是一個挑戰性的任務,”研究團隊負責人 Da Deng解釋說。“我們大致思想是直接使用廢棄的蛋殼作為一個獨特的反應系統，在蛋殼膜的蛋白纖維上合成一維納米棒陣列。我們準備了在碳纖維上的復合晶體Co9S8納米棒陣列,以證明制作鋰和鈉電池性能的良好前景。”

蛋殼有兩個主要組成部分：堅硬的外殼，主要成分是碳酸鈣；薄膜位于在外殼的內部。細胞膜是由含有硫和碳的蛋白纖維組成。(臭雞蛋的難聞的氣味是由于當蛋白質分解時有硫化氫釋放。)

為了既有的用途回收蛋殼，如作為化肥和膳食補充劑，這兩部分必須用昂貴的分離設備去分離。而將這些蛋殼作為多功能反應堆回收的優勢之一是這兩部分不用分開操作。

部分彎曲的堅硬外殼，首先被放置在一個大容器中且接觸兩種不同的溶液：外部用NaOH，內部用CoSO4。如果這兩個溶液迅速接觸到對方,他們會反應形成Co(OH)₂的晶體微粒。由于殼是半透的，它允許一些OH^-從外部緩慢擴散到內部。約四天后，OH^-將內部的pH值從4.8提高到7，減少酸性。這為Co(OH)₂形成非晶態提供了條件。

非晶態Co(OH)₂?形成的優勢是在蛋殼膜內形成涂層。涂布膜從溶液中取出并加熱約兩小時取出，這導致碳化和硫化。蛋白質纖維碳化,意味著他們會變成碳纖維同時釋放硫。S與Co(OH)₂反應生成硫化鈷納米棒(Co₉S₈)。硫化鈷是一種常用的電池電極材料。

最后的成品-涂有硫化鈷納米棒的碳纖維能很容易的變成泥漿作為電池電極。研究人員發現，最初的電池原型表現出良好的性能,包括在低電流運行超過300周期時仍穩定，雖然在較高電流時容量會減少。這種鋰離子電池的循環率優于用硫化鈷薄膜作為電極。研究者認為這會改善硫化鈷納米棒的結構。他們解釋到：納米棒牢牢地附著于碳納米纖維,碳纖維提高與電極和電解液的接觸來提高電流。

這種方法需要蛋殼保持完整,研究人員認為，這一要求可能在商業形式準備的雞蛋中得到滿足。“食品制造商使用大量的雞蛋，”Deng說。“他們可以提供所需的蛋殼。我們的技術要求使用蛋殼作為容器，而不是打碎了的蛋殼。

未來硫化鈷除了用作電池的電極材料還有許多其他用途，如超級電容器、太陽能電池和催化作用。通常制備納米鈷硫化需要高壓、有毒、昂貴的材料,以及復雜的方法。隨著進一步的改進，用蛋殼反應的方法有助于緩解這些問題。此外，用蛋殼作為未來反應堆可能促進用于其他用途的納米材料的合成。

“我們計劃探索蛋殼反應器系統的直接使用去合成許多其他功能材料，它可以找到超越電池的應用程序。”Deng說。

論文地址：Trash to Treasure: Waste Eggshells Used as Reactor and Template for Synthesis of Co₉S₈ Nanorod Arrays on Carbon Fibers for Energy Storage

原文鏈接：Scientists make battery electrodes from waste eggshells

本文素材由材料人王宇提供。