泡沫顆粒變身鋰電池電極 充電速度快電容量更高

搬過家、收過包裹之后，家里總會多出一些沒用的包裝填充材料，而在最近，普渡大學的研究者們展示了一種新的回收利用泡沫填充材料的辦法在經過出產之后，包裝箱中常用的泡沫填充顆粒(packingpeanuts)被制成了可以用于鋰電池的電極，而且這種電極與傳統石墨電極相比性能更優。這項研究成果近日在第249屆美國化學學會全國會議上進行了發表。

泡沫顆粒，變身鋰電池電極

如今，大多數鋰電池的負極都是由石墨制成的。鋰離子存在于電池的電解液中，在充電時，這些離子會嵌入到石墨電極當中。而今朝，普渡大學的研究者們分別利用聚苯乙烯泡沫塑料顆粒和淀粉基泡沫塑料顆粒制成了新型的碳納米微粒和微片(microsheet)電極。

博士后研究助理維諾德庫馬爾以大謝立(VinodkumarEtacheri)表示：我們在布置新試驗室的時候剩下了很多泡沫塑料顆粒。維拉斯波爾(Vilaspol)教授提議我們想方法把這些廢物利用起來。

無心插柳柳成蔭，這個提議引出了一種廢棄泡沫塑料顆粒的回收解決新工藝。波爾說，與商用石墨電極相比，這種新型電極的充電速度更快，電容量也更高。

作為運輸包裝填充物，泡沫塑料顆粒在全球范圍內被廣泛使用。但是它難以降解，而且循環利用率惟有約莫10%。波爾說：這些泡沫顆粒的密度很小，進行回收時要很大的容器來存放。回收所需的成本很高，卻沒有哪些利潤。

結果，廢棄泡沫塑料顆粒常常是作為垃圾填埋，而它們在填埋后的數十年內都不會降解。雖然淀粉基的泡沫塑料顆粒比聚苯乙烯的材料更容易降解，但是其中添加的化學物質仍舊會進入土壤和水系，出現潛在的環境威脅。

而這種新工藝則將有望處理泡沫材料的回收問題。這種出產工藝非常簡單筆直，它只要在惰性氣體的環境中將泡沫顆粒加熱到500~900℃即可，有時還要加入過渡金屬鹽類作為催化劑。在經過加熱之后，就可以將泡沫材料轉化成碳納米顆粒和微片，并最終制成鋰電池所需的碳電極。

這項無害化工藝成本低廉，有潛力使用于大規模加工。而且分解數據顯示，這種電極具有比傳統石墨電極更加優越的電化學性能。在鋰電池充電和放電的過程中，鋰離子要經歷嵌入到電極結構中，以及從中脫嵌的過程。因此，電極材料容納鋰離子的能力就會成為影響電池性能的關鍵因素。而新型電極中多孔的微觀結構使得它能夠擁有更好的鋰離子存儲能力。

據研究者解析，這種泡沫材料制成的新型電極比容量最大可達到420毫安時/克(mAh/g)，而傳統石墨電極的比容量最多惟有372毫安時/克(mAh/g)。這種新型電極也可以讓充電速度變得更快。

目前看來，這種新型碳電極也表現出了較好的穩定性。以大謝立解析說：這些碳電極的電化學性能能夠保持長期穩定。充放電300次之后，電池容量沒有出現分明的減少。這些碳電極也很有希望使用于鈉離子充電電池當中。在后續工作中，我們會嘗試通過新增材料表面積和孔徑來進一步提升電化學性能，來進一步挖掘碳電極的潛力。

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