搬過(guò)家、收過(guò)包裹之后，家里總會(huì)多出一些沒(méi)用的包裝填充材料，而在最近，普渡大學(xué)的研究者們展示了一種新的回收利用泡沫填充材料的方法——在經(jīng)過(guò)加工之后，包裝箱中常用的泡沫填充顆粒(packing peanuts)被制成了可以用于鋰電池的電極，而且這種電極與傳統(tǒng)石墨電極相比性能更優(yōu)。這項(xiàng)研究成果近日在第249屆美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)全國(guó)會(huì)議上進(jìn)行了發(fā)表。

泡沫顆粒，變身鋰電池電極

如今，大多數(shù)鋰離子電池的負(fù)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(shí)，這些離子會(huì)“嵌入”到石墨電極當(dāng)中。而現(xiàn)在，普渡大學(xué)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(kù)馬爾·以大謝立(Vinodkumar Etacheri)表示：“我們?cè)诓贾眯聦?shí)驗(yàn)室的時(shí)候剩下了很多泡沫塑料顆粒。維拉斯·波爾(Vilas Pol)教授建議我們想辦法把這些廢物利用起來(lái)。”

無(wú)心插柳柳成蔭，這個(gè)建議引出了一種廢棄泡沫塑料顆粒的回收處理新工藝。波爾說(shuō)，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(yùn)輸包裝填充物，泡沫塑料顆粒在全球范圍內(nèi)被廣泛使用。但是它難以降解，而且循環(huán)利用率只有大約10%。”波爾說(shuō)：“這些泡沫顆粒的密度很小，進(jìn)行回收時(shí)需要很大的容器來(lái)存放?；厥账璧某杀竞芨?，卻沒(méi)有什么利潤(rùn)。”

結(jié)果，廢棄泡沫塑料顆粒經(jīng)常是作為垃圾填埋，而它們?cè)谔盥窈蟮臄?shù)十年內(nèi)都不會(huì)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(xué)物質(zhì)依然會(huì)進(jìn)入土壤和水系，產(chǎn)生潛在的環(huán)境威脅。

而這種新工藝則將有望解決泡沫材料的回收問(wèn)題。這種加工工藝非常簡(jiǎn)單直接，它只需要在惰性氣體的環(huán)境中將泡沫顆粒加熱到500~900℃即可，有時(shí)還需要加入過(guò)渡金屬鹽類作為催化劑。在經(jīng)過(guò)加熱之后，就可以將泡沫材料轉(zhuǎn)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(xiàng)無(wú)害化工藝成本低廉，有潛力應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。而且分析數(shù)據(jù)顯示，這種電極具有比傳統(tǒng)石墨電極更加優(yōu)越的電化學(xué)性能。在鋰電池充電和放電的過(guò)程中，鋰離子要經(jīng)歷“嵌入”到電極結(jié)構(gòu)中，以及從中“脫嵌”的過(guò)程。因此，電極材料容納鋰離子的能力就會(huì)成為影響電池性能的關(guān)鍵因素。而新型電極中多孔的微觀結(jié)構(gòu)使得它能夠擁有更好的鋰離子“存儲(chǔ)”能力。

據(jù)研究者介紹，這種泡沫材料制成的新型電極比容量最大可達(dá)到420 毫安時(shí)/克(mAh/g)，而傳統(tǒng)石墨電極的比容量最多只有372毫安時(shí)/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(lái)，這種新型碳電極也表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。以大謝立介紹說(shuō)：“這些碳電極的電化學(xué)性能能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。充放電300次之后，電池容量沒(méi)有出現(xiàn)明顯的減少。這些碳電極也很有希望應(yīng)用于鈉離子充電電池當(dāng)中。在后續(xù)工作中，我們會(huì)嘗試通過(guò)增加材料表面積和孔徑來(lái)進(jìn)一步提升電化學(xué)性能，來(lái)進(jìn)一步挖掘碳電極的潛力。”