@ 2015.10.12 , 08:00

藻类爆发怎么破?捞起来烤成电池

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2014年8月9日在伊利湖的藻类爆发现场(GPS: 41°42′16.1′′N, 83°28′30.0′′W)收集藻类。插图显示热处理前后的干燥藻华。Credit: Da Deng, Wayne State University

去年八月,伊利湖的季节性有害藻类爆发变得如此极端,导致俄亥俄州托莱多的水系变得有毒,使五十万居民没水可喝。但一些研究者们采集了当时一些有毒藻华,并已证明通过在氩气中把它们加热到700~1000°C的温度,可以将之转变成所谓的“硬质碳”材料,可以作为大容量钠离子电池的低成本电极材料。

在底特律韦恩州立大学环境工程师邓达(音译)博士带领下的研究者们在最近一期的《环境科学与技术》发表了使用藻华作为电化学能量储存的论文。

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“由蓝藻造成的有害藻类爆发严重威胁到人类、牲畜、和野生动物,导致疾病甚至死亡,”邓说,“2014年藻华造成的托莱多水危机是其破坏威力的生动例子。现有的减轻藻华技术是被动的且有一定局限性。如果替代技术可以将藻华转变为高附加值功能性产品,将显著广泛地影响我们的社会和环境。”

邓解释说这样一个高价值产品可能是钠离子电池的电极,有潜力取代主要应用的锂离子电池。

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“我们示范了从托莱多附近的伊利湖新鲜收集的藻华转换为钠离子电池的高性能电极,”他说,“我们称之为‘变废为宝’方法。这种技术有望缓解藻华,克服其环境威胁并钠离子电池中的可逆钠存储提供‘绿色’电极。”

正如邓所解释的,钠离子电池技术相比锂离子电池仍处于起步阶段。开发钠离子电池的挑战之一是找到一种可靠的电极材料。虽然石墨往往用于锂离子电池的电极,但较大的钠离子不如较小的锂离子那样适合石墨的结构。相反,钠离子更适合硬质碳,它比石墨更无序,并含有更多数量的大型缺陷和空隙,能存储较大的钠离子。

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2014年8月9日韦恩州立大学邓博士实验室的学生们在伊利湖采集藻华。Credit: Da Deng, Wayne State University

虽然硬质碳最常来源于石油,它也可以由生物质制成。这项研究是藻华(特别是蓝绿藻)第一次被直接转化为钠离子电池用碳。藻华有生长迅速和不需要土地或土壤的优势。而且研究者们发现,藻华可以很容易地通过简单热处理转换成硬质碳,无需净化或其它更多工序。

藻类加热后,研究者们用80%来自藻类的硬质碳、10%炭黑(用于提高导电性)和10%粘结剂的混合物制成电极。在把这种浆料隔夜干燥后,他们用纳箔作为对电极将之一起组装成纽扣电池。测试表明电极一开始容量高达440 mAh/g,但在第一个周期后遭受不可逆的容量损失后,容量下降到约230 mAh/g,从第二周期往后,该电极具有良好的容量保持率。研究者们还发现包括容量和稳定性的一些性能因素取决于藻类被加热的温度,这指明了在未来提高其性能的一种方式。

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“我们未来的研究将专注于藻华衍生碳钠离子电池的电化学性能优化,”邓说,“我们将尝试解决钠离子电池的首次循环不可逆容量损失问题。我们也在开发大规模采收藻华的方法并研究他们对生态系统的影响。”

总体而言,研究者们解释说这种“变废为宝”的转换过程是一石二鸟:缓解淡水湖泊的藻华问题,并提供有用的钠离子电池电极材料,它相对锂离子电池具有巨大的潜在成本优势。为了说明,研究者们指出,2014年锂离子电池的成本约为每千瓦时410美元,而美国的电力零售均价是每千瓦时约10美分。因为钠比锂丰富得多,预期钠离子电池将在未来大大降低这一成本。

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本文译自 TechXplore,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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