30 年 2024 月 XNUMX 日
(Nanowerk聚光灯)向可再生风能和太阳能的过渡面临着关键障碍,因为缺乏负担得起的大规模能源存储选择。如果没有具有成本效益的电网级电池,波动和间歇性问题会使可持续发电的广泛采用变得不切实际。在有望减少太阳能电池板和风力涡轮机等组件的生产成本之后,存储技术已成为最后一个需要清除的障碍。尽管领先的电池公司进行了大量的研发,但流行的锂离子化学物质仍难以实现该应用所需的低成本、安全性、稳定性和高循环寿命的结合。钠离子电池的新兴潜力重新激发了人们的努力,但其成功取决于开发合适的电极而不使用过多的稀有或有毒材料。在发表于的一篇论文中 高级功能材料 (“茶源可持续材料”),由哈佛大学张兴才博士领导的团队详细介绍了他们使用从废茶叶中提取的创新材料开发出的高性能钠离子电池阳极。最近的进展使钠离子电池成为流行的锂离子技术的可行且低成本的替代品,研究人员的生物质来源阳极展示了可以实现下一代负担得起且可持续的电网级能源存储的品质。以前对钠离子电池的尝试虽然实现了低成本,但在充电容量、寿命和充电速率等性能方面受到了很大影响,无法取代锂离子电池的主导地位。这很大程度上源于基本的化学挑战,因为较大尺寸的钠离子限制了电池组件内的快速移动。张博士的茶叶阳极的主要优点在于它平衡了这些固有的局限性。通过简单的一步热解过程,研究人员将生茶叶茎转化为一种针对钠离子存储而优化的“硬碳”材料。与现有的碳基阳极相比,该团队的废茶衍生硬碳(称为 TS-1400-HCl)可全面改善指标。它的初始容量提高了 70%,首次充电/放电循环的效率提高了 91%,并且在 7 次循环后寿命延长了 9-500 倍。至关重要的是,TS-1400-HCl 仅使用廉价的基础组件,通过可扩展的工业流程实现了这一突破性的性能。
TS-1400-HCl 的 HRTEM 图像。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)研究人员将 TS-1400-HCl 的能力归因于前体茶叶茎和战略酸处理所实现的结构增强。其天然多孔的生物质结构有利于电解质渗透,同时保留足够的缺陷和空隙用于钠离子吸附。酸洗可去除导致原始形式容量损失的杂质。这种双管齐下的方法产生了优化的碳阳极,赋予类石墨层之间更大的间距、微孔和介孔上丰富的吸附位点以及重复充电时优异的结构鲁棒性。通过光谱分析,张博士的团队证实TS-1400-HCl的钠离子存储是通过填充孔隙和缺陷的表面吸附过程发生的,然后插入到体电极更深处的石墨片之间。这种双重机制利用了定制生物质硬碳质地的优势,充分利用材料来确保高容量和电力效率。全钠离子纽扣电池的实际可行性测试进一步巩固了 TS-1400-HCl 作为批量生产电极的候选资格。张博士的茶叶全电池甚至无需预先预处理阳极以使其稳定,3V2(PO4)3 阴极仍然实现了超过 1000 次循环的超长寿命,并且能量密度与商业锂离子电池相媲美。这种无需专门预处理的就绪演示强调了 TS-1400-HCl 的可行性和成本效益。研究人员估计,用于生产硬碳阳极的廉价酸处理和退火将使大规模价格达到每公斤 5-7 美元左右。结合丰富的原茶叶资源(仅中国的年产量就超过 1 亿公斤),张博士的团队相信,他们的生物质方法作为主流、负担得起的电池材料,具有真正的可持续性和积极环境影响的巨大潜力。随着对互补阴极材料的持续研究,重点是性能最大化而不是降低成本,集成电极的钠离子电池(如 TS-1400-HCl)可能很快就会实现大规模清洁能源存储和分配系统的大规模采用。通过将废物转化为瓦特,廉价、耐用且环保的电网电池的出现又近了一步。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
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