充电电池新突破：橡胶叶

材料牛注：上个月，一项关于采用钠替代锂制作可充电电池的探索有了意外的发现。来自马里兰大学和北京国家纳米科学中心的科学家发现，对富含钠元素的橡胶叶进行烘烤，烘烤后可以成功的匹配poc电池的负极端。

正如每位做过柠檬（或者马铃薯）电池实验的人所知，通过有机物制作电池是完全可行的，并且可以通过改变它的部分结构进而生产出钠电池。

理论上，钠元素理比锂元素拥有更多电荷，更容易制造电池，但是实际中却发现钠元素无法实现多个充放电循环。而其中的亟待解决的难题之一便是寻找能够与钠兼容的合适的负极材料。例如，石墨可以作为锂离子电池中的正极材料，但由于钠元素的离子半径远大于锂元素，把石墨应用于钠离子电池中并不适合。石墨烯尽管可以满足使用条件，生产耗时而且价格昂贵则制约了其在电池中的应用。

在研究有机物电池得早期实验中，研究人员曾尝试使用过泥煤苔、香蕉皮和西瓜皮等有机物，但是这些材料都需要额外的处理和涂装。“自然状态下的橡树叶已经满足制作电池的基本需求：较小的表面积可以减少缺陷；许多排列紧密的微小结构用于扩展空间；内部结构的形状和尺寸可以满足钠电解质的需求，”沈飞作为参与电池项目的学生，向我们解释了采用橡胶叶的一些考虑。

在橡树叶的电池生产中，科学家们首先热解干燥的橡树叶，通过在1,000° C (1,832° F) 的无氧基中烘烤一个小时来去除其中所有的碳结构。之后将橡树叶在氯化氢中浸泡六小时，以便除去其他的可能干扰电化学反应的无机杂质。

最后，碳化后的橡树叶留在底部并保持着用来吸收水分和交换气体的孔隙。在这种状态下的橡树叶可以充分的吸收钠电解质。此时，橡树叶韧部的炭层会变成纳米碳层用于吸收钠元素中的电荷。同时，碳化状态下橡树叶的顶部是平整、致密的，使用于电化学反应中集电极平面。

此外研究团队使用带有钠元素板的扣式电池作为计数/参考电极，结果表明橡树叶自身完全可以充当钠电池的正极，并且其每克可以储存360毫安的电量。

通过对橡树叶正极材料进行可循环性测试，发现经过200次循环使用后其可以保持90%的储量。此外，更有意思的是科学家发现由于叶膜具有较小表面积，形成了较少的SEI（固态电解质膜），这样它可以保持75%左右的充电效率。

“我们尝试过使用其木质纤维等其他的自然材料来制造电池，”马里兰大学能量中心的材料学教授胡梁斌说道，“但通过实验最终选择了橡树叶，通过改造橡树叶来存储能量供以后使用，并且在这种方式下可以存储大量能量，这也是一种对环境较为友好的方式”。

目前研究人员已经实验将不同类型的橡树叶堆放在一起并结合起来，并且计划测试不同种类的橡树叶来寻找最佳的能量存储性能。这项研究成果已经发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，但他们表示并没有将这项技术商业化的打算。

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感谢材料人编辑部赵慧杰提供素材