廢煙頭、薰衣草都成了儲能材料？科學(xué)家們腦洞大開

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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

Getty Image & Plantura Magazine

撰文：Bell

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1870篇原創(chuàng)

隨著全球?qū)稍偕茉创鎯π枨蟮娜找嫫惹校瑸榱藢で蟾咝阅軆δ懿牧希茖W(xué)家們將目光投向了“垃圾”和“生物廢料”。

無論是污染環(huán)境的廢棄煙頭，還是安神助眠的薰衣草，都在科學(xué)家的實驗室里，成為了可能改變未來能源格局的關(guān)鍵材料。

先來看看那個讓人頭疼的環(huán)境污染源——煙頭，全球每年丟棄量高達(dá)約800萬噸，亟需對其進(jìn)行綠色高效的利用改造。

煙頭主要由纖維素和醋酸纖維素構(gòu)成，極難降解，還會向土壤中釋放重金屬，是典型的頑固垃圾。

而來自中國河南大學(xué)的一支研究團(tuán)隊卻從中看到了“寶藏”。他們發(fā)現(xiàn)，煙蒂中的纖維素結(jié)構(gòu)恰恰是制備多孔碳材料的理想前驅(qū)體，可應(yīng)用于高性能儲能系統(tǒng)。

生物炭基多孔材料通常具有高比表面積、高石墨化程度以及良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，是制備雙電層電容器（EDLC）電極材料的理想選擇。

來源：10.48130/een-0025-0016

團(tuán)隊通過一種稱為“水熱碳化-熱解活化”的工藝，將煙蒂這種有毒垃圾轉(zhuǎn)化為氮氧共摻雜的多級納米多孔生物炭（簡稱CNPB）。

研究團(tuán)隊先對煙蒂進(jìn)行了預(yù)處理，去除殘留煙灰和雜質(zhì)。然后將所得煙蒂粉碎成蓬松狀，在60℃下干燥2小時，并在使用前儲存于快速玻璃干燥器中。

然后，這些煙蒂被置于水熱反應(yīng)釜中，在高溫高壓水熱條件下“煮”成碳球，再將反應(yīng)混合物過濾用乙醇和去離子水徹底洗滌固體殘渣。

最后，研究人員加入了化學(xué)蝕刻劑，并將這些廢料于管式爐中加熱到700℃，使致密的碳球像爆米花一樣爆開，形成微觀上類似蜂巢的三維多孔結(jié)構(gòu)。

這種材料具有驚人的比表面積——每克超過2000平方米（2133.5 m2 g?1），巨大的表面積允許離子可以以閃電般的速度快速進(jìn)出。

來源：10.48130/een-0025-0016

同時，摻雜的氮和氧原子還能有效提升材料的導(dǎo)電性，使該材料能夠?qū)崿F(xiàn)高比電容。

最終得到的材料CNPB-700-4，在超級電容器中展現(xiàn)出卓越的性能：在1安培每克的電流密度下，比電容高達(dá)344.91法拉每克。

而且，在經(jīng)過一萬次充放電循環(huán)后，該系統(tǒng)仍然保持了95%以上的原始容量，壽命遠(yuǎn)超普通智能手機(jī)電池。

由這種材料組裝的對稱超級電容器，能量密度和功率密度也達(dá)到了實用化水平，其功能特性非常適合高速任務(wù)，例如穩(wěn)定電網(wǎng)、提高電動汽車制動性能以及為便攜式設(shè)備供電。

這項研究不僅為解決煙蒂污染提供了新思路，同時還實現(xiàn)了“環(huán)境修復(fù)”與“高價值材料創(chuàng)造”的雙贏。

來源：Getty Image

如果說改造煙頭是有害垃圾“變廢為寶”，那么將薰衣草花梗轉(zhuǎn)化為負(fù)極材料就是生物廢料的“煥發(fā)新生”。

薰衣草因其芳香而廣受喜愛，但其農(nóng)業(yè)殘余物——每年約1000至1500噸的花梗與廢料——卻常被忽視。

如今，一個由韓國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、伊諾努大學(xué)等高校研究員組成的國際科研團(tuán)隊成功地將這些薰衣草花廢料轉(zhuǎn)化為硬碳材料，并用作鈉離子電池的負(fù)極。

來源：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.239365

鈉離子電池被視為鋰離子電池的一種重要補(bǔ)充，其原料鈉儲量豐富、成本低廉，適合大規(guī)模儲能。但如何獲得高性能、低成本的電極材料是關(guān)鍵。

硬碳（HC）是鈉離子電池中最常用的負(fù)極材料，其特點(diǎn)是具有無序的碳結(jié)構(gòu)。近年來，科學(xué)家們致力于開發(fā)新的HC生物來源，如稻殼、玉米秸稈、麥秸和椰子殼等。

這些木質(zhì)纖維素廢料不僅為獲取經(jīng)濟(jì)實惠的材料提供了機(jī)會，還有助于解決農(nóng)業(yè)廢棄物管理問題，同時減少碳化過程中的二氧化碳排放。

這一次，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地選擇了從土耳其當(dāng)?shù)厥袌霾少彽霓挂虏莼ā?/p>

研究人員將薰衣草花廢料在高溫下碳化，成功制備出具有多孔表面結(jié)構(gòu)的硬碳負(fù)極。這種結(jié)構(gòu)保留了植物天然的微觀組織特征，有利于電解液的滲透和鈉離子的快速擴(kuò)散。

同時，他們開發(fā)了一種與之匹配的正極材料——P2型層狀氧化物Na?.??Mn?.?Ni?.?O?，其中摻入的鎳有效提升了材料的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

不過，使用這類生物質(zhì)碳材料面臨一個普遍挑戰(zhàn)：初始的“鈉儲備”不足，會導(dǎo)致電池容量迅速衰減。

為此，科學(xué)家們像給電池“預(yù)充電”一樣，系統(tǒng)比較了三種“預(yù)鈉化”策略：直接接觸法、化學(xué)法和電化學(xué)法。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)預(yù)鈉化方法雖然操作上更復(fù)雜一些，卻能帶來最優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度。

在實驗中，采用該方法的全電池在100次循環(huán)后仍能保持62%的容量，遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法。

這項研究證明了，利用廣泛可得、可持續(xù)的植物廢料，完全可以構(gòu)建出有競爭力的鈉離子電池體系，為全球能源轉(zhuǎn)型提供了兼具環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的電極材料解決方案。

來源：Plantura Magazine

其實，無論是煙蒂還是薰衣草，本質(zhì)上都是含碳物質(zhì)，且微觀結(jié)構(gòu)適用于制造高性能電極材料。

科學(xué)家們的“腦洞”并非天馬行空，而是基于對材料微觀結(jié)構(gòu)的深刻理解，

這兩項研究的共同精髓在于“升級再造”——將低價值甚至有害的廢棄物，通過精準(zhǔn)的化學(xué)與工程控制，轉(zhuǎn)化為具備高附加值的先進(jìn)功能材料。

未來，或許會有更多意想不到的材料將被送進(jìn)實驗室，變身為支撐智能電網(wǎng)、驅(qū)動電動汽車、甚至點(diǎn)亮千家萬戶的綠色能源載體。

Reference：

[1]https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/een-0025-0016

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775326001151#undfig1

[3]https://interestingengineering.com/energy/cigarette-butts-recycle-energy-storage

[4]https://interestingengineering.com/energy/lavender-powered-sodium-batteries

[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/1114544

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