當(dāng)前，各類電子產(chǎn)品日新月異，極大地豐富和滿足了人們的生活、工作、娛樂需求，但是與之相應(yīng)的是電池的待機時間短、成本過高等問題。近日，蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)部晏成林教授科研團(tuán)隊在高性能硅基鋰離子電池與可穿戴能源器件研究方面取得系列重要進(jìn)展，利用廉價冶金硅甚至廢棄的豆渣制備出高性能新型電池，重要研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》等國際權(quán)威刊物上。

低價冶金硅制成高性能鋰離子電池

隨著便攜式移動電子產(chǎn)品、電動汽車、可再生能源等領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們對更高能量、更長壽命、更高倍率、更高安全和更低價格的鋰離子電池器件的需求越來越迫切。晏成林教授團(tuán)隊重要在改善鋰離子電池性能方面開展研究工作，為能源高效儲存轉(zhuǎn)化供應(yīng)新思路。

在實驗室內(nèi)，記者見到了正在進(jìn)行測試的各類電池。這些外表看似普通的紐扣電池，其中的制備材料卻是各不相同。儀器設(shè)備正在給這些實驗電池不停地做著充、放電實驗，檢測不同制備材料電池的充放電周期和電化學(xué)容量變化情況。

據(jù)介紹，硅基材料是目前最具應(yīng)用前景的鋰離子電池負(fù)極材料之一，其容量是我們現(xiàn)在所使用電池的10多倍。但在實際應(yīng)用方面仍存在著循環(huán)性能差、制造成本高的關(guān)鍵瓶頸問題。為了解決這個難題，課題組經(jīng)過不斷測試研究，利用廉價的冶金硅作為原料，成功制備了具備介孔結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極材料。

“用這種材料制成的高性能鋰離子電池能達(dá)到560周的電化學(xué)循環(huán)，也就是能持續(xù)充放電560次，但每次充放電后僅下降萬分之四，電池體現(xiàn)出了最佳的穩(wěn)定性。”晏成林教授說，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)新手機充滿電的待機時間相對長，但用過一段時間后充電時間的間隔會越來越短，這就是電池的電化學(xué)容量出現(xiàn)了比較大的衰減。假如這種新型鋰離子電池將來得到運用，手機電池能有望從現(xiàn)在的一天一充變成五天或七天一充，為生活工作帶來極大便利。

廢棄豆渣變身柔性鈉離子電池

在實驗室里，晏成林還展示了另一款特別的電池，與其他電池外形不同的是，這種電池乍一看好像一片金屬，只有1毫米左右的厚度，而且可以隨意彎曲折疊。“這是我們最新研制成的鈉離子電池，可以用在各類可穿戴設(shè)備上。”晏教授介紹說，像谷歌眼鏡、蘋果手表等這樣的智能可穿戴設(shè)備正越來越受到歡迎，但要讓可穿戴設(shè)備便于攜帶，供電的電池必須更小，續(xù)航時間必須更長，而且還必須更輕薄、更加有彈性。

據(jù)介紹，這款新型鈉離子電池的首次容量是我們現(xiàn)在商用電池的1.5倍左右，并且能夠穩(wěn)定循環(huán)2000圈以上，也就是說可以實現(xiàn)充放電2000次。相比近年來得到廣泛應(yīng)用的鋰離子電池來說，鈉離子電池具有工作溫度低、安全性能好、穩(wěn)定性好、設(shè)備簡單、可移動性強等優(yōu)點。最令人意想不到的是，這種新型鈉離子電池的制備原材料竟然是廢棄的豆渣！

晏成林教授說，制備鈉離子電池的材料以石墨烯等碳材料為主，制備成本相對較高。為了解決制備成本的問題，課題組將目光瞄準(zhǔn)了成本低廉的廢棄豆渣。為了有充足的豆渣作為實驗材料，一臺家用豆?jié){機成為了實驗室里的實驗器材。

“黃豆的氮含量很高，我們嘗試用它作為原材料制備鈉離子電池。”課題組成員、錢濤老師和碩士研究生楊庭舟介紹說，廢棄的豆渣經(jīng)過強氧化剝離等技術(shù)，就可以制作成氮含量達(dá)到9.89%的片狀碳材料，將碳材料涂布在金屬片上，再用鋁箔封閉處理，就制備成了這種柔性電池。

黃豆是我國的重要農(nóng)作物，每年黃豆精制植物油產(chǎn)量都在上升，2014年我國精制食用植物油產(chǎn)量達(dá)6534萬噸，廢棄物豆渣的產(chǎn)量也隨之上升。而國內(nèi)每個城市成千上萬的豆?jié){豆腐等豆制品作坊，每天也會出現(xiàn)大量的豆渣等廢棄物，但目前豆渣二次利用后的利潤卻比較低。“假如能夠利用廢棄豆渣來制備含氮量高的碳材料，將能大大降低石墨烯等碳材料的制備成本，從而有利于鈉離子電池的推廣，也有著廣闊的市場前景。”晏成林教授說。