搬過家、收過包裹之后，家里總會多出一些沒用的包裝填充材料，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)過加工之后，包裝箱中常用的泡沫填充顆粒(packingpeanuts)被制成了可以用于鋰離子電池的電極，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屆美國化學(xué)學(xué)會全國會議上進(jìn)行了發(fā)表。

泡沫顆粒，變身鋰離子電池電極

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，這些離子會嵌入到石墨電極當(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馬爾以大謝立(VinodkumarEtacheri)表示：我們在布置新實(shí)驗(yàn)室的時候剩下了很多泡沫塑料顆粒。維拉斯波爾(Vilaspol)教授建議我們想辦法把這些廢物利用起來。

無心插柳柳成蔭，這個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，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：這些泡沫顆粒的密度很小，進(jìn)行回收時要很大的容器來存放?；厥账璧某杀竞芨?，卻沒有什么利潤。

結(jié)果，廢棄泡沫塑料顆粒經(jīng)常是作為垃圾填埋，而它們在填埋后的數(shù)十年內(nèi)都不會降解。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)依然會進(jìn)入土壤和水系，出現(xiàn)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題。這種加工工藝非常簡單直接，它只要在惰性氣體的環(huán)境中將泡沫顆粒加熱到500~900℃即可，有時還要加入過渡金屬鹽類作為催化劑。在經(jīng)過加熱之后，就可以將泡沫材料轉(zhuǎn)化成碳納米顆粒和微片，并最終制成鋰離子電池所需的碳電極。

這項(xiàng)無害化工藝成本低廉，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。在鋰離子電池充電和放電的過程中，鋰離子要經(jīng)歷嵌入到電極結(jié)構(gòu)中，以及從中脫嵌的過程。因此，電極材料容納鋰離子的能力就會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/克(mAh/g)，而傳統(tǒng)石墨電極的比容量最多只有372毫安時/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，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：這些碳電極的電化學(xué)性能能夠保持長期穩(wěn)定。充放電300次之后，電池容量沒有出現(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，我們會嘗試通過新增材料表面積和孔徑來進(jìn)一步提升電化學(xué)性能，來進(jìn)一步挖掘碳電極的潛力。