當(dāng)前，各類電子產(chǎn)品日新月異，極大地豐富和滿足了人們的生活、工作、娛樂(lè)需求，但是與之相應(yīng)的是電池的待機(jī)時(shí)間短、成本過(guò)高等問(wèn)題。近日，蘇州大學(xué)物理與光電˙能源學(xué)部晏成林教授科研團(tuán)隊(duì)在高性能硅基鋰電池與可穿戴能源器件研究方面取得系列重要進(jìn)展，利用廉價(jià)冶金硅甚至廢棄的豆渣制備出高性能新型電池，主要研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》等國(guó)際權(quán)威刊物上。

低價(jià)冶金硅制成高性能鋰電池

隨著便攜式移動(dòng)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、可再生能源等領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們對(duì)更高能量、更長(zhǎng)壽命、更高倍率、更高安全和更低價(jià)格的鋰離子電池器件的需求越來(lái)越迫切。晏成林教授團(tuán)隊(duì)主要在改善鋰電池性能方面開(kāi)展研究工作，為能源高效儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化提供新思路。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，記者見(jiàn)到了正在進(jìn)行測(cè)試的各類電池。這些外表看似普通的紐扣電池，其中的制備材料卻是各不相同。儀器設(shè)備正在給這些實(shí)驗(yàn)電池不停地做著充、放電實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)不同制備材料電池的充放電周期和電化學(xué)容量變化情況。

據(jù)介紹，硅基材料是目前最具應(yīng)用前景的鋰離子電池負(fù)極材料之一，其容量是我們現(xiàn)在所使用電池的10多倍。但在實(shí)際應(yīng)用方面仍存在著循環(huán)性能差、制造成本高的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。為了解決這個(gè)難題，課題組經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試研究，利用廉價(jià)的冶金硅作為原料，成功制備了具備介孔結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極材料。

“用這種材料制成的高性能鋰電池能達(dá)到560周的電化學(xué)循環(huán)，也就是能連續(xù)充放電560次，但每次充放電后僅下降萬(wàn)分之四，電池體現(xiàn)出了極佳的穩(wěn)定性。”晏成林教授說(shuō)，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)新手機(jī)充滿電的待機(jī)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，但用過(guò)一段時(shí)間后充電時(shí)間的間隔會(huì)越來(lái)越短，這就是電池的電化學(xué)容量出現(xiàn)了比較大的衰減。如果這種新型鋰電池將來(lái)得到運(yùn)用，手機(jī)電池能有望從現(xiàn)在的一天一充變成五天或七天一充，為生活工作帶來(lái)極大便利。

廢棄豆渣變身柔性鈉離子電池

在實(shí)驗(yàn)室里，晏成林還展示了另一款特別的電池，與其他電池外形不同的是，這種電池乍一看好像一片金屬，只有1毫米左右的厚度，而且可以隨意彎曲折疊。“這是我們最新研制成的鈉離子電池，可以用在各類可穿戴設(shè)備上。”晏教授介紹說(shuō)，像谷歌眼鏡、蘋(píng)果手表等這樣的智能可穿戴設(shè)備正越來(lái)越受到歡迎，但要讓可穿戴設(shè)備便于攜帶，供電的電池必須更小，續(xù)航時(shí)間必須更長(zhǎng)，而且還必須更輕薄、更有彈性。

據(jù)介紹，這款新型鈉離子電池的首次容量是我們現(xiàn)在商用電池的1.5倍左右，并且能夠穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上，也就是說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)充放電2000次。相比近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，鈉離子電池具有工作溫度低、安全性能好、穩(wěn)定性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、可移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最令人意想不到的是，這種新型鈉離子電池的制備原材料竟然是廢棄的豆渣!

晏成林教授說(shuō)，制備鈉離子電池的材料以石墨烯等碳材料為主，制備成本相對(duì)較高。為了解決制備成本的問(wèn)題，課題組將目光瞄準(zhǔn)了成本低廉的廢棄豆渣。為了有充足的豆渣作為實(shí)驗(yàn)材料，一臺(tái)家用豆?jié){機(jī)成為了實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)器材。

“黃豆的氮含量很高，我們嘗試用它作為原材料制備鈉離子電池。”課題組成員、錢(qián)濤老師和碩士研究生楊庭舟介紹說(shuō)，廢棄的豆渣經(jīng)過(guò)強(qiáng)氧化剝離等技術(shù)，就可以制作成氮含量達(dá)到9.89%的片狀碳材料，將碳材料涂布在金屬片上，再用鋁箔封閉處理，就制備成了這種柔性電池。

黃豆是我國(guó)的重要農(nóng)作物，每年黃豆精制植物油產(chǎn)量都在增長(zhǎng)，2014年中國(guó)精制食用植物油產(chǎn)量達(dá)6534萬(wàn)噸，廢棄物豆渣的產(chǎn)量也隨之增長(zhǎng)。而國(guó)內(nèi)每個(gè)城市成千上萬(wàn)的豆?jié){豆腐等豆制品作坊，每天也會(huì)產(chǎn)生大量的豆渣等廢棄物，但目前豆渣二次利用后的利潤(rùn)卻比較低。“如果能夠利用廢棄豆渣來(lái)制備含氮量高的碳材料，將能大大降低石墨烯等碳材料的制備成本，從而有利于鈉離子電池的推廣，也有著廣闊的市場(chǎng)前景。”晏成林教授說(shuō)。