木材等生物質材料被研究人員看好，並嚐試用來解決(jue) 電池“短命”的問題。蔣誌海製圖

■本報記者 秦誌偉(wei)

一棵幾米甚至幾十米高的樹，靠什麽(me) 把“營養(yang) ”從(cong) 根部輸送到頂部？研究發現，原來是樹木固有的紋孔膜在起作用。而樹木的這一特點也讓科學家腦洞大開，解決(jue) 鋰金屬電池“短命”問題竟有了新點子。

受樹木紋孔膜輸運調控機製和天然結構的啟發，中國林業(ye) 科學研究院研究員呂建雄團隊等，提出天然木材納米結構用於(yu) 優(you) 化鋰金屬負極離子分布和沉積行為(wei) 的創新思路，並首次精準剝離出聚集體(ti) 薄層，可使電池壽命增加75%以上。研究成果近日發表於(yu) ACS Energy Letters。

這些年，研究人員陸續盯上了包括木材在內(nei) 的生物質材料，以期從(cong) 大自然中尋求為(wei) 電池“續命”的解決(jue) 方案。

向大自然尋求解決(jue) 方案

續航能力不僅(jin) 是人們(men) 購買(mai) 電動汽車的考量因素之一，也是電動汽車廠商的“心頭病”。綜合續航裏程、安全性等因素，鋰金屬電池備受關(guan) 注。然而，鋰離子沉積不均勻卻是一大困擾，由此造成電池易短路、壽命短等問題。

研究發現，鋰離子濃度不均勻形成“死”鋰和鋰枝晶，從(cong) 而導致鋰金屬電池“短命”。

解決(jue) 這一問題，要從(cong) 固態電解質界麵膜（SEI）說起。SEI是形成於(yu) 電池首次充電過程中的鈍化膜層，被看成是電池性能和安全性的“關(guan) 鍵先生”。

呂建雄團隊認為(wei) ，理想的固態電解質界麵膜可以通過空間均勻化鋰離子通量和促進鋰離子快速遷移來實現均勻的鋰離子沉積，從(cong) 而抑製枝晶的形成，使鋰金屬負極具備優(you) 異的電化學性能。

然而，大多數固態電解質界麵膜材料需要昂貴的前驅體(ti) 和複雜的合成工藝，從(cong) 而限製其在電池產(chan) 品中的實際應用。

為(wei) 了解決(jue) 這一問題，研究人員另辟蹊徑，向大自然尋求解決(jue) 方案。

《中國科學報》了解到，呂建雄團隊以人工杉樹為(wei) 主要研究對象，計劃開發出一種可調節鋰離子濃度的人工固態電解質界麵膜。他們(men) 從(cong) 樹木為(wei) 何具有超長壽命入手分析發現，木材細胞壁加厚產(chan) 生次生壁時，初生壁上未被增厚的部分形成了紋孔。而紋孔是相鄰細胞間水分和養(yang) 料的通道，紋孔膜在調節相鄰細胞離子運輸中扮演著重要角色，同時細胞壁的部分結構也起到離子調節的作用。

於(yu) 是，木材的這一機理啟發了研究人員，他們(men) 嚐試利用木材次生壁的聚集體(ti) 薄層來替代紋孔膜結構。為(wei) 此，呂建雄團隊首創木材次生細胞壁聚集體(ti) 薄層精準剝離技術，成功剝離出聚集體(ti) 薄層，其長度、寬度可達1000mm以上，厚度僅(jin) 為(wei) 10nm。進一步研究發現，由聚集體(ti) 薄層製成的固態電解質界麵膜可調節鋰金屬的沉積和溶解，從(cong) 而獲得穩定高效的鋰電池。

值得一提的是，這種聚集體(ti) 薄層固態電解質界麵膜使0.5Ah級鋰金屬軟包電池的循環壽命增加75%以上。

不同種類生物質差異較大

為(wei) 了驗證細胞壁薄層分離技術的普適性，呂建雄團隊又從(cong) 人工杉木拓展到多個(ge) 不同產(chan) 地的樹種，如日本的柳杉、新西蘭(lan) 的陸均鬆以及來自日本、英國、印度、阿爾巴尼亞(ya) 的冷杉屬木材，取得了初步效果。

在大自然中，除了木材外，橙皮、草、香蕉皮、杏殼、椰子殼等生物質材料也被研究人員看好，並嚐試用來解決(jue) 電池“短命”的問題。

實際上，研究人員是看中了它們(men) 碳元素含量較高。他們(men) 通過對這些生物質材料進行表征，進而獲得生物質衍生炭材料。華北理工大學冶金與(yu) 能源學院、現代冶金技術教育部重點實驗室教授梁精龍介紹，這些炭材料大多為(wei) 高度無序的多孔炭材料，其內(nei) 部含有大量孔洞與(yu) 表麵缺陷結構，為(wei) 鋰離子電池的儲(chu) 存提供大量的空間。

除此之外，炭材料內(nei) 部包含一些納米尺度的石墨晶體(ti) ，可提升鋰離子儲(chu) 存能力。

西北工業(ye) 大學化學與(yu) 化工學院教授黃英等人撰文總結了生物質衍生炭材料在鈉離子電池中的應用。他們(men) 表示，不同種類的生物質及其衍生物的碳化產(chan) 率、微觀結構和元素組成都存在較大差異。為(wei) 此，他們(men) 將常用生物質衍生炭材料分為(wei) 植物器官類衍生物、生物提取物衍生物和生物廢料類衍生物3種類型。

以生物廢料類衍生物為(wei) 例，秸稈、玉米芯、棗核、花生殼等農(nong) 業(ye) 廢棄副產(chan) 品中存在大量纖維素和半纖維素，可以作為(wei) 鈉離子電池良好的前驅體(ti) 碳源。

因每種生物質材料差異較大，其製備方法也各不相同，且尚無統一的製備方法。

根據現有文獻，生物質材料製備方法可分為(wei) 直接碳化法、水熱法、模板法和物理/化學活化法。這幾種方法既可單獨使用，亦可組合使用。此外，還有原子摻雜改性工藝，即通過在材料內(nei) 部摻雜一種或多種雜原子來提升材料性能。

以鋰離子電池為(wei) 例，使用含大量介孔的無序炭材料對容量提升效果最為(wei) 明顯。梁精龍團隊碩士生張寧介紹，提升材料孔隙率最好的辦法之一是使用化學活化法，利用活化劑與(yu) 材料發生的化學反應，在材料上生成孔洞與(yu) 缺陷結構，生成的孔隙大小與(yu) 數量可以通過調價(jia) 活化劑量、反應溫度與(yu) 反應時間等條件實現。

“如果將化學活化法與(yu) 模板法相結合，製成的材料性能也可進一步提升。”張寧說。

研究尚處起步階段

就當前而言，“用作電極材料的生物質衍生炭材料還處在廣泛研究階段。”梁精龍說。

隨著自然資源的耗竭和環境的惡化，人們(men) 越來越注重可持續發展。包括木材在內(nei) 的生物質材料及其衍生物，由於(yu) 具有環境友好性、獨特的結構特性和較高的反應活性，基於(yu) 增材製造和減材製造兩(liang) 大方向，在鋰離子電池、太陽能電池等能量存儲(chu) 與(yu) 轉換材料領域具有較好應用前景。

“生物質衍生炭材料循環穩定性比其它負極材料差，隨著循環次數的增長，可逆容量均有不同程度的衰減，這個(ge) 缺點不利於(yu) 相應電池的長期使用。”梁精龍介紹，目前的研究重點集中在提升生物質衍生炭材料的循環穩定性上。

“當電池中正極的活性物質是比碳更容易參加反應的物質時，碳還可以作為(wei) 正極材料。這時它是一種惰性電極，如鋅錳幹電池等。”張寧進一步解釋道。

例如，在鋰空氣電池中，炭材料由於(yu) 具有良好的導電性、較大的比表麵積與(yu) 合適的孔隙體(ti) 積等特性，常被用作正極材料。“炭材料在空氣電極中既充當電化學反應界麵，又為(wei) 放電產(chan) 物提供儲(chu) 存空間。”梁精龍說。

在碳達峰和碳中和的背景下，包括木材在內(nei) 的生物質材料的應用前景被看好，但其在使用時卻無法達到百分百綠色。在其製備、加工和應用過程中，都可能產(chan) 生汙染物，這也引起人們(men) 的擔憂。專(zhuan) 家表示，如何實現生物質衍生炭材料的綠色製備、綠色加工、綠色應用，是研究人員未來需要考慮和設計的重點方向。

以木質材料及其衍生物為(wei) 例，中國工程院院士李堅認為(wei) ，未來應從(cong) 降低木質材料成本、提高性能、擴大應用和有效利用廉價(jia) 木材產(chan) 品等方麵深入研究。他建議，努力尋找有效的提純方法降低生產(chan) 成本，開發合適的預處理溶劑體(ti) 係、可回收利用的催化劑，減少化學藥品及水的消耗；對木質材料及其衍生物的表麵進行功能化處理，在實現高值化利用的同時，更要注重遵循綠色化學的原則，避免二次汙染。

“係統地探明木質基材料分級多孔結構與(yu) 性能的關(guan) 係，實現在一維納米纖絲(si) 、二維納米薄膜和三維凝膠等不同維度的木質基質合理設計和表麵微納米結構的精確控製。”李堅說。此外，還應廣泛挖掘材料的“一劑多效”特性，發展新型木質基能量存儲(chu) 與(yu) 轉化材料。

相關(guan) 論文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00629