华裔科学家用蟹壳造电池千次循环能源效率9

来源：超电实验室

作者：王磊

　　又到了吃大闸蟹的季节，我们吃完螃蟹之后，随手一扔的螃蟹壳，竟然是造电池的原材料？

　　虽然听着有些不可思议，但科学家确确实实造出来了。

　　近日，美国马里兰大学的教授LiangbingHu在发表在《物质》（Matter）杂志上的一篇论文中表示，近期发明了一种全新电池，是以蟹壳作为材料制成的高性能锌基电池。

　　来源：Matter

　　LiangbingHu表示，大量电池的生产和消耗增加了对环境的影响。广泛用于锂离子电池的聚丙烯和聚碳酸酯隔膜，需要数百年或数千年才能降解。

　　而且锂电池的生产和发电严重依赖化石燃料，虽然比直接使用燃油环保，但同样会导致不小的环境问题。

　　此次新发明的锌基电池，不仅解决了锌枝晶形成的问题，还比锂离子电池更容易被生物降解，也更可持续。

　　值得一提的是，LiangbingHu原名胡良兵，是位华裔科学家。

　　01

　　“木头大王”胡良兵

　　胡良兵，年出生，年本科毕业于中国科学技术大学少年班，随后便去加州大学洛杉矶分校去读博。

　　来源：马里兰大学 　　-年期间，以博士后的身份加入斯坦福大学从事纳米材料和纳米结构用于能源器件的研究，目前是美国马里兰大学（帕克校区）教授及材料创新中心主任。

　　胡良兵更多被人所熟知的是专注于木头的研究，年，胡良兵和同为马里兰大学教授的李腾，合作研发出强度媲美钢材的超强密度木材，成果发表在《Nature》后，一直被称为“木头大王”。

　　一些普通的木头，经过他们的实验处理后，其强度、韧性分别要比天然木材高出11.5倍、10倍。

　　除此之外，胡良兵也非常高产，各种研发论文不断，在Science、Nature、ACSNano等顶级期刊上，发表了三四百篇学术论文，不乏有Nature和Science等封面论文以及大子刊，妥妥的学霸。

　　而超越锂离子的新型储能技术，也是胡良兵教授重点 　　美国或许也发现了他的这项才能，今年2月，胡良兵还接受到了美国能源部高达万美元的资助。

　　这笔资金将用于开发纤维素电池和高熵催化剂，主要是为了制造出能够快速充电的电池，这种电池的电解质包含基于纤维素纤维的离子导体，纤维素基离子导体由于使用天然材料，这使得固态电解质更容易加工。

　　这种方法可以在室温下实现高导电性、高能量密度，并以低成本为消费者提供性能更好的电池。

　　如今来看，胡良兵教授显然没有辜负这笔现金资助。这不，短短几个月之后，全新的电池就来了。

　　02

　　电量更大，寿命更长

　　介绍这款新电池之前，先了解一下锌电池。

　　锌电池是利用电解液中锌离子在正负两个电极间的往复穿梭来存储和释放电能，电解液可以是液体、糊状物或者是凝胶。

　　传统的可充型的锌电池主要用水作为电解液溶剂，因此不存在锂电的可燃、易爆等问题，使用更加安全。

　　不过，锌电池在水系电解液中存在着严重的枝晶和腐蚀问题。

　　枝晶指充电过程中，电解液中的锌离子在锌负极上发生不均匀沉积，从而出现的树枝状金属锌。这种枝晶在电池充放电时不断长大，最终会刺穿隔膜与正极接触，从而导致电池因内部短路而失效。

　　而且金属锌较为活泼，会与水发生化学反应，从而持续消耗金属锌负极和电解液，导致电池使用寿命大幅缩短。

　　为了应对此类问题，许多人在改善电解质方面做出了大量努力，包括使用高盐浓度的“盐中水”，为电解质、水电解质添加乙二醇作为阻水剂，或有机电解质。然而，这些策略或多或少的牺牲了水电解质固有的高导电性和锌金属电池的安全性。

　　来源：Matter

　　胡良兵教授则采用了一种的生物基聚合物壳聚糖-锌凝胶电解质，可以用于高速率和长寿命锌金属电池，它具有高离子传导性、机械强度和可持续性的优势，同时还能在阳极表面实现理想的平行六边形锌板的沉积形态。

　　这种电池使用了一种凝胶电解质，由一种叫做壳聚糖的生物材料制成。

　　何为壳聚糖？

　　壳聚糖是甲壳素的衍生物，甲壳素有很多来源，比如真菌的细胞壁、甲壳类动物的外骨骼等，胡良兵说，壳聚糖最丰富的来源是甲壳类动物的外骨骼，包括螃蟹、虾和龙虾，可以很容易地从海鲜废物中获得。你甚至可以在自己桌子上找到。

　　不过只有壳聚糖还不够，要制造这种凝胶电解质，要用壳聚糖与二价锌离子（Zn2＋）进行配位，过压缩挤出多余的水，形成一层致密化的壳聚糖-锌膜。

　　来源：Matter

　　这种壳聚糖-锌膜有较高的机械强度和水粘合能力，从而实现了可调的Zn2+电导率和可控的锌电沉积形态。

　　其实早在年，美国斯坦福大学的科学家就在蟹壳中发现了一种含有硫或者硅的纳米结构，能够通过电极的自由膨胀，提升锂离子电池的储能能力。

　　根据他们的说法，理论上，如果一般用于锂离子电池的氧化钴阴极和碳素阳极分别被硫阴极和硅阳极代替，则设备的储能能力几乎能提高10倍。

　　胡良兵的研究小组发现，在蟹壳上燃烧有机物质会成碳酸钙，去除碳酸钙最终形成的有凹陷的碳纳米纤维，就含有硫或者硅，也就是壳聚糖。

　　而且这个研究小组通过实验对比，也发现了这些全新凝胶电解质的好处：经过次循环充放电试验后，含有硫的电极保存了60％的电能，含硅的电极只损失了5％的电能。

　　这样看来，壳聚糖这种材料，不但能够提高电池的储能能力，提高电池的放电量，而且还能延长期使用寿命。

　　来源：cell

　　胡良兵在论文中表示，这种锌-壳聚糖电池在次电池循环后的能源效率达到了99.7％。

　　03

　　可生物降解是重点

　　在传统锂离子电池中，电池正极材料中含镍、钴等重金属，如果不经过专业的回收处理，会造成重金属污染，而且电解液溶解在水中也极易造成氟污染。

　　有咨询机构统计，年国内累计退役动力电池规模或可达到约70万吨（约Gwh），到年，我国的动力电池预期将为万吨。

　　目前动力电池回收的两种主流方式是梯次利用和拆解回收。

　　来源：Matter

　　梯次利用是将容量衰减后剩余容量较高的电池降级使用，退而求其次用于储能、电信基站、对里程要求不高的低速电动车等场景。

　　而拆解回收则是通过放电、拆解、粉碎、提取等多个环节，提炼回收锂、钴、镍等有价金属，成为制造新电池的原材料。

　　然而这两种回收的方法，目前都存在不小的挑战，不仅法规体系不成熟，行业发展也不规范，目前锂电池回收主要是以小作坊为主，很难实现规模化、规范化发展。

　　眼下，使用更加清洁材料似乎才是新能源电池发展的究极方向。

　　作为一种充满水溶液的凝胶电解质，壳聚糖-锌电解质是不可燃的，只有在置于火焰中时才会收缩和变软。

　　如果将新鲜的壳聚糖-锌电解质埋在土壤中，2个月后，壳聚糖-锌电解质会发霉并开始降解。5个月后，它完全降解，这意味着壳聚糖-锌电解质是可以完全生物降解的。

　　来源：Matter

　　从天然生物材料（虾、蟹等）中提取的壳聚糖-锌电解质，不仅在电池中有不错的性能，还能以自然的方式回归环境中。另外，锌电池的其他成分也可以回收。

　　“目前在电池中加入壳聚糖作为电解质，意味着大约三分之二的电池可以生物降解。”胡良兵表示，接下来，该团队希望解决剩下的三分之一也能够降解。“我希望未来电池中的所有组件都是可生物降解的，不仅是材料本身，还有生物材料的制造过程。”

转载请注明：http://www.abuoumao.com/hyls/4770.html