用紙張生物質(zhì)制造鋰-硫電池

倫斯勒理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種專利方法，利用廉價(jià)且豐富的紙張生物質(zhì)制造鋰-硫電池。

造紙工業(yè)的主要副產(chǎn)物是木質(zhì)素磺酸鹽，這是一種磺化的碳廢物，通常在現(xiàn)場(chǎng)燃燒，在回收硫再利用后將CO2釋放到大氣中。

日前，位于紐約特洛伊的倫斯勒理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，利用廉價(jià)且豐富的紙張生物質(zhì)來(lái)制造可充電鋰-硫電池。這種電池可為大型數(shù)據(jù)中心供電，也可以為微電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)提供更便宜的能量?jī)?chǔ)存選擇。

參與開(kāi)發(fā)上述專利技術(shù)的倫斯勒理工學(xué)院研究人員表示，該項(xiàng)研究證明了利用工業(yè)造紙廠副產(chǎn)物為鋰-硫電池設(shè)計(jì)可持續(xù)的、低成本電極材料的可能性。研究人員并與同事共同申請(qǐng)了這項(xiàng)技術(shù)的專利。

可充電鋰離子電池是目前的主流電池技術(shù)。然而，近年來(lái)，人們對(duì)開(kāi)發(fā)鋰-硫電池產(chǎn)生了極大的興趣，鋰-硫電池的能量是相同質(zhì)量的鋰離子電池的2倍以上。

可充電電池有2個(gè)電極——正極和負(fù)極。放置在電極之間的是一種液體電解質(zhì)，作為產(chǎn)生電流的化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)。在鋰-硫電池中，陰極由硫-碳基質(zhì)組成，陽(yáng)極由金屬鋰氧化物構(gòu)成。

硫的單質(zhì)形式是不導(dǎo)電的，但當(dāng)它與碳在高溫下結(jié)合時(shí)，它就具有很高的導(dǎo)電性，使其可以用于新型電池技術(shù)中。然而，該技術(shù)的挑戰(zhàn)在于硫很容易溶解到電池的電解質(zhì)中，導(dǎo)致電池2側(cè)的電極在幾次循環(huán)后就會(huì)變質(zhì)。

研究人員使用不同形式的碳，如納米管和復(fù)合碳泡沫，將硫固定，但成效有限。研究人員指出，其專利技術(shù)提供了一種從單一原料中制造出最佳硫基陰極的簡(jiǎn)單方法。

為了開(kāi)發(fā)上述專利技術(shù)，倫斯勒大學(xué)的研究人員與格蘭斯福爾斯的Finch紙業(yè)合作，由對(duì)方提供木質(zhì)素磺酸鹽。將木質(zhì)素磺酸鹽這一“棕色液體”（一種深色糖漿狀物質(zhì)）進(jìn)行干燥處理，然后在石英管爐中加熱到約700℃。

高溫將大部分的含硫氣體排出，但保留了一些硫作為多硫化物（硫原子鏈）深嵌在活性炭基質(zhì)中。加熱過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到適量的硫被固定于碳基質(zhì)中。然后將該材料研磨，并與惰性聚合物黏合劑混合以在鋁箔上形成陰極涂層。

到目前為止，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出一種鋰-硫電池原型，其尺寸相當(dāng)于一塊手表電池，可以循環(huán)200次左右。下一步是擴(kuò)大原型，以顯著提高放電率和電池的循環(huán)壽命。

CFES業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)介紹，在重新利用木質(zhì)素磺酸鹽這種生物質(zhì)的過(guò)程中，研究人員與CFES合作，為環(huán)境保護(hù)作出了重大貢獻(xiàn)，同時(shí)構(gòu)建了更高效的電池，為能源儲(chǔ)存行業(yè)提供急需的推動(dòng)力。

該研究的啟動(dòng)資金來(lái)自紐約州污染預(yù)防研究所（NYSP2I）。隨后，該研究團(tuán)隊(duì)獲得紐約州能源研究與發(fā)展管理局頒發(fā)的Bench to Prototype資助，通過(guò)NY-BEST（紐約電池和儲(chǔ)能技術(shù)）管理，以更全面地開(kāi)發(fā)該技術(shù)。