2014年8月9日在伊利湖的藻類(lèi)爆發(fā)現(xiàn)場(chǎng)(GPS: 41°42′16.1′′N(xiāo), 83°28′30.0′′W)收集藻類(lèi)。插圖顯示熱處理前后的干燥藻華。Credit: Da Deng, Wayne State University
去年八月，伊利湖的季節(jié)性有害藻類(lèi)爆發(fā)變得如此極端，導(dǎo)致俄亥俄州托萊多的水系變得有毒，使五十萬(wàn)居民沒(méi)水可喝。但一些研究者們采集了當(dāng)時(shí)一些有毒藻華，并已證明通過(guò)在氬氣中把它們加熱到700~1000°C的溫度，可以將之轉(zhuǎn)變成所謂的“硬質(zhì)碳”材料，可以作為大容量鈉離子電池的低成本電極材料。
在底特律韋恩州立大學(xué)環(huán)境工程師鄧達(dá)(音譯)博士帶領(lǐng)下的研究者們?cè)谧罱黄诘摹董h(huán)境科學(xué)與技術(shù)》發(fā)表了使用藻華作為電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存的論文。
“由藍(lán)藻造成的有害藻類(lèi)爆發(fā)嚴(yán)重威脅到人類(lèi)、牲畜、和野生動(dòng)物，導(dǎo)致疾病甚至死亡，”鄧說(shuō)，“2014年藻華造成的托萊多水危機(jī)是其破壞威力的生動(dòng)例子?，F(xiàn)有的減輕藻華技術(shù)是被動(dòng)的且有一定局限性。如果替代技術(shù)可以將藻華轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又倒δ苄援a(chǎn)品，將顯著廣泛地影響我們的社會(huì)和環(huán)境?！?
鄧解釋說(shuō)這樣一個(gè)高價(jià)值產(chǎn)品可能是鈉離子電池的電極，有潛力取代主要應(yīng)用的鋰離子電池。
“我們示范了從托萊多附近的伊利湖新鮮收集的藻華轉(zhuǎn)換為鈉離子電池的高性能電極，”他說(shuō)，“我們稱(chēng)之為‘變廢為寶’方法。這種技術(shù)有望緩解藻華，克服其環(huán)境威脅并鈉離子電池中的可逆鈉存儲(chǔ)提供‘綠色’電極。”
正如鄧所解釋的，鈉離子電池技術(shù)相比鋰離子電池仍處于起步階段。開(kāi)發(fā)鈉離子電池的挑戰(zhàn)之一是找到一種可靠的電極材料。雖然石墨往往用于鋰離子電池的電極，但較大的鈉離子不如較小的鋰離子那樣適合石墨的結(jié)構(gòu)。相反，鈉離子更適合硬質(zhì)碳，它比石墨更無(wú)序，并含有更多數(shù)量的大型缺陷和空隙，能存儲(chǔ)較大的鈉離子。
2014年8月9日韋恩州立大學(xué)鄧博士實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生們?cè)谝晾杉迦A。Credit: Da Deng, Wayne State University
雖然硬質(zhì)碳最常來(lái)源于石油，它也可以由生物質(zhì)制成。這項(xiàng)研究是藻華(特別是藍(lán)綠藻)第一次被直接轉(zhuǎn)化為鈉離子電池用碳。藻華有生長(zhǎng)迅速和不需要土地或土壤的優(yōu)勢(shì)。而且研究者們發(fā)現(xiàn)，藻華可以很容易地通過(guò)簡(jiǎn)單熱處理轉(zhuǎn)換成硬質(zhì)碳，無(wú)需凈化或其它更多工序。
藻類(lèi)加熱后，研究者們用80%來(lái)自藻類(lèi)的硬質(zhì)碳、10%炭黑(用于提高導(dǎo)電性)和10%粘結(jié)劑的混合物制成電極。在把這種漿料隔夜干燥后，他們用納箔作為對(duì)電極將之一起組裝成紐扣電池。測(cè)試表明電極一開(kāi)始容量高達(dá)440 mAh/g，但在第一個(gè)周期后遭受不可逆的容量損失后，容量下降到約230 mAh/g，從第二周期往后，該電極具有良好的容量保持率。研究者們還發(fā)現(xiàn)包括容量和穩(wěn)定性的一些性能因素取決于藻類(lèi)被加熱的溫度，這指明了在未來(lái)提高其性能的一種方式。
“我們未來(lái)的研究將專(zhuān)注于藻華衍生碳鈉離子電池的電化學(xué)性能優(yōu)化，”鄧說(shuō)，“我們將嘗試解決鈉離子電池的首次循環(huán)不可逆容量損失問(wèn)題。我們也在開(kāi)發(fā)大規(guī)模采收藻華的方法并研究他們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。”
總體而言，研究者們解釋說(shuō)這種“變廢為寶”的轉(zhuǎn)換過(guò)程是一石二鳥(niǎo)：緩解淡水湖泊的藻華問(wèn)題，并提供有用的鈉離子電池電極材料，它相對(duì)鋰離子電池具有巨大的潛在成本優(yōu)勢(shì)。為了說(shuō)明，研究者們指出，2014年鋰離子電池的成本約為每千瓦時(shí)410美元，而美國(guó)的電力零售均價(jià)是每千瓦時(shí)約10美分。因?yàn)殁c比鋰豐富得多，預(yù)期鈉離子電池將在未來(lái)大大降低這一成本。
(作者：王丟兜 來(lái)源：能源創(chuàng)客)