2014年8月9日在伊利湖的藻類爆發(fā)現(xiàn)場(GPS: 41°42′16.1′′N, 83°28′30.0′′W)收集藻類。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)性有害藻類爆發(fā)變得如此極端，導致俄亥俄州托萊多的水系變得有毒，使五十萬居民沒水可喝。但一些研究者們采集了當時一些有毒藻華，并已證明通過在氬氣中把它們加熱到700~1000°C的溫度，可以將之轉變成所謂的“硬質碳”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環(huán)境工程師鄧達(音譯)博士帶領下的研究者們在最近一期的《環(huán)境科學與技術》發(fā)表了使用藻華作為電化學能量儲存的論文。
“由藍藻造成的有害藻類爆發(fā)嚴重威脅到人類、牲畜、和野生動物，導致疾病甚至死亡，”鄧說，“2014年藻華造成的托萊多水危機是其破壞威力的生動例子?，F(xiàn)有的減輕藻華技術是被動的且有一定局限性。如果替代技術可以將藻華轉變?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和環(huán)境?！?
鄧解釋說這樣一個高價值產(chǎn)品可能是鈉離子電池的電極，有潛力取代主要應用的鋰離子電池。
“我們示范了從托萊多附近的伊利湖新鮮收集的藻華轉換為鈉離子電池的高性能電極，”他說，“我們稱之為‘變廢為寶’方法。這種技術有望緩解藻華，克服其環(huán)境威脅并鈉離子電池中的可逆鈉存儲提供‘綠色’電極。”
正如鄧所解釋的，鈉離子電池技術相比鋰離子電池仍處于起步階段。開發(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構。相反，鈉離子更適合硬質碳，它比石墨更無序，并含有更多數(shù)量的大型缺陷和空隙，能存儲較大的鈉離子。
2014年8月9日韋恩州立大學鄧博士實驗室的學生們在伊利湖采集藻華。Credit: Da Deng, Wayne State University
雖然硬質碳最常來源于石油，它也可以由生物質制成。這項研究是藻華(特別是藍綠藻)第一次被直接轉化為鈉離子電池用碳。藻華有生長迅速和不需要土地或土壤的優(yōu)勢。而且研究者們發(fā)現(xiàn)，藻華可以很容易地通過簡單熱處理轉換成硬質碳，無需凈化或其它更多工序。
藻類加熱后，研究者們用80%來自藻類的硬質碳、10%炭黑(用于提高導電性)和10%粘結劑的混合物制成電極。在把這種漿料隔夜干燥后，他們用納箔作為對電極將之一起組裝成紐扣電池。測試表明電極一開始容量高達440 mAh/g，但在第一個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被加熱的溫度，這指明了在未來提高其性能的一種方式。
“我們未來的研究將專注于藻華衍生碳鈉離子電池的電化學性能優(yōu)化，”鄧說，“我們將嘗試解決鈉離子電池的首次循環(huán)不可逆容量損失問題。我們也在開發(fā)大規(guī)模采收藻華的方法并研究他們對生態(tài)系統(tǒng)的影響?！?
總體而言，研究者們解釋說這種“變廢為寶”的轉換過程是一石二鳥：緩解淡水湖泊的藻華問題，并提供有用的鈉離子電池電極材料，它相對鋰離子電池具有巨大的潛在成本優(yōu)勢。為了說明，研究者們指出，2014年鋰離子電池的成本約為每千瓦時410美元，而美國的電力零售均價是每千瓦時約10美分。因為鈉比鋰豐富得多，預期鈉離子電池將在未來大大降低這一成本。
(作者：王丟兜 來源：能源創(chuàng)客)