木头电池制造本钱低无需担忧资源枯竭

2019年05月15日 来源:

伍迪艾伦的电影《午夜巴黎》里,男主角无限迷恋上世纪20年代的巴黎,对于一个写文章为生的人,与这些名人中的任何一名聊上半个小时,也许都会受益不浅。

不过,如果男主角打算把这一番谈话中得到的灵感化为文字,我不太相信他依然想留在上世纪20年代,毕竟那时的作家如果不用钢笔,就只有笨重而常常出故障的打字机可用,而21世纪的作家则可以借助笔记本电脑,在几乎任何地方进行创作。这样的便利,还要拜电力的运用和电池技术的发展所赐。

但是,今天的电池技术仍然有太多的缺点。从应用的角度说,虽然各式各样的锂离子电池已经基本解决了过去电池的寿命短、输出电压低、充电记忆效应、对外界环境要求高等问题,但是它在大功率放电时容易发热甚至自燃的缺点仍然限制了它的运用。

从环境的角度,虽然一般消费者使用的锂离子电池对环境并没有太大危害,但如果我们希望提高电池的能量密度,就可能需要在锂电池中使用具有毒性的物资,而目前在一些场合必须使用的铅酸电池和镍镉电池,其重金属污染的风险更是广为人知。

有没有可能制造出更加环境友好的电池呢?在关注这个问题之前,让我们先来回顾一下中学时在化学课上学到的电池原理。电池可以定义为以化学形式储存能量,并能在需要时将化学能转化为电能的装置。与我们的直觉不同,电池中贮存的并不是电能,而是化学能。

电池的两个电极中,一个允许电子逃逸,被称为阳极,另一个则接受电子,被称为阴极。电池放电,就是阳极放出电子,而阴极接受电子的进程,也就是阳极和阴极通过化学反应,将化学能转化为电能。

实际应用中,电极多少都会与电解液发生一些我们不需要的化学反应,或者被电解液部份溶解,造成放置在电路之外的电池正负极之间的电压降低,这被称为自放电。我们在生活中对此都有体会,比如充满后长时间不用的电池,重新开始用的时候发现只有原来四分之三乃至一半的电。

目前的电池都不能避免自放电,而可充电电池的自放电现象比不可充电的电池更显著一些。这就是为什么我们过去买的镍镉充电电池都要充满才能使用,由于它每个月自放电就可能放掉20%的能量,而自放电较少的锂电池和镍氢电池就不一定要这样做。

许多化学反应都可以看作是电子在不同物质间交换的进程,可以做电解液的溶液也很多,因此许多金属及化合物的组合都可能组成原电池。但是,实际应用要求电池能够延续地以一定电压提供电能,或者能够提供高电压的瞬时输出,还需要达到一定的能量密度要求,另外还要考虑环保、健康和成本。

所以,虽然原电池装置的种类很多,但合适生产实际使用的电池的技术却很少。或者也可以说,正是由于有那末多种原电池,在其中挑选能够满足人们需要的电池技术才像大海捞针那样困难。

当我们面对纷繁复杂的选择不知从何下手的时候,看看自然界如何应对类似的问题,往往有可能给我们指出一条捷径。毕竟在漫长的变异、选择和进化过程中,整个自然界都在探索更有效率的收集、储存和释放能量的方式。

来自波兰和瑞典的科学家就想到了这一点,他们注意到,一些植物和微生物在光合作用进程中,利用醌类化合物运送带正电的质子和带负电的电子。醌类化合物是在苯环或萘环上用偶数个氧原子取代氢原子获得的产物,其中氧原子和碳原子形成的双化学键可以方便地与其他物质结合。在这一进程中形成的物质可能具有很高的能量密度。

但是,有这样高的电荷密度是一回事,怎样实现醌类的氧化还原从而把它做成电池又是另一回事。而且,醌类纯物质的价格也不低,从哪里获取便宜的原料呢?这些问题的答案可能还在我们周围的植物里。科学家们提出,植物的木质素中有大量的酚类基团,在进行氧化后,这部分有机物就能转化为醌类基团。虽然这样得到的材料本身并不能作为电极,但与具有导电性和离子传递能力的物资结合起来,就可能得到可用的电极材料。

在实验中,科学家们使用一种叫做多吡咯的物质与氧化后的木质素组成复合材料,制造出了多层聚合物电极。在这种电极中,木质素氧化物中的醌类基团负责储存电荷,多吡咯负责运送电荷,其电荷密度可以达到每克70~90毫安时,相当或略优于目前的锂离子电池的水平。

因为是通过氧化木质素而非使用纯物资来制造,这种电极有望以非常低的成本制造出来,而且也不像矿物电极那样需要担心资源枯竭的问题。最妙的是,木质素在植物中的含量仅次于纤维素,可占20%~28%,但过去很少得到利用,比如制浆造纸工业中,木质素几乎完全以黑液的形式被丢弃,而这些黑液完全可以被用到聚合物电池的制造过程中,几乎不产生原料本钱,同时又解决了相当一部分造纸行业的污染问题。

目前,木质素电池虽然在实验室展现了一些很吸引人的特性,但离实际变成产品还有很长的路要走。而且,现在它的自放电效应还很显著,在能量密度上也没有体现出相对锂电池的明显优势。但提出这个概念的科学家认为,通过选择不同的电解液和木质素的不同处理方法,我们有希望进一步优化木质素电池,使其成为市场上一种有竞争力的产品。

研究这1课题的科学家也提出,来自不同植物的木质素也可能对电池的性能产生影响。无妨想象,这种电池的投产,也许能为某些入侵植物的清除提供一些经济鼓励,而在我们找到最理想的木质素原料之前,这种电池的研究也为植物多样性的保护提供了一个理由。

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