瓜瓤不僅能刷碗，還可以造電池？

說到絲瓜瓤，相信大家都不會陌生吧。它是絲瓜果實去掉表皮后曬干得到的網絡狀的物體。很多人喜歡用絲瓜瓤洗碗，效果毫不遜色于用合成纖維做的刷子。不過絲瓜瓤不僅可以用來刷碗，還可以有更加高大上的用途——做電池。這又是怎么回事呢？

眾所周知，目前諸如筆記本電腦、手機這樣的便攜式電子產品主要依靠鋰離子電池來提供能源。與其他類型的蓄電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度，因此幾乎成了“寸土寸金”的便攜式設備的不二選擇。

然而隨著便攜式電子產品的廣泛應用，人們希望這些設備在變得更加小巧輕便的同時，電池能有更強的續航能力，這就要求鋰離子電池的能量密度有進一步的提升。與此同時，電動汽車等新產品的開發也對鋰離子電池提出了更高的要求。不幸的是，目前的鋰離子電池的性能幾乎已經達到極限，很難再有更大的提升。

面對挑戰，科學家們提出，鋰離子電池要想更上一層樓，必須“脫胎換骨”，進行比較大的改進。其中一種方案是將目前用作鋰離子電池正極材料的各種鋰鹽替換成硫。硫可以與金屬鋰一起參與電化學反應，實現電池的充電/放電循環。這樣一來，鋰離子電池就變成了鋰-硫電池。與鋰離子電池相比，鋰-硫電池在理論上能夠提供更高的能量密度，而且硫在地球上儲量豐富，生產成本也不高。因此鋰-硫電池很受研究人員的青睞。

然而到目前為止，鋰-硫電池的產業化仍然面臨不小的困難，有許多技術上的難題還未能完全克服，其中一個比較大的問題是所謂的“飛梭效應”(shuttle effects)，這是什么意思呢？理想情況下，在充放電過程中，硫應該老老實實地以固體的形式呆在正極中。然而實際上在這一過程中，正極形成的一種被稱為聚硫離子[1]的物質能夠溶解在電池的電解液中，在正極和負極之間來回穿梭，與兩個電極不斷發生化學反應，其結果是在使用過程中，電池的性能很快下降[2]。

那么如何抑制飛梭效應呢？一些研究人員想到，既然聚硫離子喜歡往電解液里面跑，那就在正極外面加一層保護性的隔膜，讓聚硫離子想跑也跑不掉。那么這層隔膜該用什么材料制成呢？它必須能夠導電，而且最好疏松多孔，這樣才能在阻擋聚硫離子的同時不影響電池正常的工作。聰明的研究人員很快想到，碳的單質是非常合適的一個選擇。很快，人們能想到的含碳的材料，例如碳納米管和石墨烯，都被拉過來進行“面試”，而測試的結果還不錯，用這些材料做成的隔膜確實能夠抑制飛梭效應，提高鋰-硫電池的壽命[3]。

但問題隨之而來：像碳納米管這樣的材料往往需要人工合成，費時費力，價格也往往很高。當然，通過不斷改進工藝，這些材料的生產成本是有可能不斷被降低的。不過也有研究人員轉換了思路，他們指出：自然界有沒有現成的材料呢？

順著這個思路，來自中國和澳大利亞兩國的研究人員把目光投向了絲瓜瓤。絲瓜瓤本身具有高度疏松多孔的結構，這與隔膜的要求非常一致。不過絲瓜瓤本身是由纖維素等材料組成，并不導電，不能直接用作隔膜。不過這個問題解決起來也不難，只需要把絲瓜瓤放到幾百攝氏度的高溫下隔絕氧氣進行處理，這稱為熱裂解。通常在這么高的溫度下，類似絲瓜瓤這樣的有機物很快就燃燒殆盡，然而由于隔絕了氧氣，絲瓜瓤并不會燃燒，相反，其中的氫和氧兩種元素都變成氣體跑掉了，而碳元素則留了下來，原先存在于絲瓜瓤中的孔洞則基本暴露下來。經過這樣處理的絲瓜瓤被研磨成粉末，再與其他材料混合制成薄膜，就得到了我們所需要的隔膜[4]。

有趣的是，絲瓜瓤中含有少量的氮元素，經過高溫處理仍然會得以保留。然而研究人員不僅不覺得這是一個缺點，相反還很歡迎氮元素留下來。因為此前有研究表明，向碳單質制成的隔膜中摻入少量的氮元素能夠提高隔膜的性能。別人要額外添加的東西，這里已經“自備”了，當然是很好的事情。

那么這種用絲瓜瓤做成的薄膜效果如何呢？測試表明，如果不使用隔膜對電極進行保護，經過500次充放電循環，鋰-硫電池的比容量（單位質量或者體積的電池或者活性物質能夠放出的電量，這里用的是質量比容量）只有原先的不到20%，而如果使用了經過900 oC裂解處理的絲瓜瓤制成的隔膜，經過500次循環，電池的比容量仍然能夠保持原先的一半。這與此前利用合成方法制成的隔膜所提供的保護效果相當，但利用絲瓜瓤為原料無疑在原材料和生產成本上都具有一定的優勢[4]。

事實上，絲瓜瓤并不是唯一被想到的來自自然界的原料。在幾年以前，曾經有研究者做過幾乎一模一樣的研究，只不過它們用來保護鋰-硫電池的隔膜是來自于木薯在高溫下的裂解[5]。除此之外，還有許多來自自然界的原料，特別是農牧業生產中的廢料，都曾經被用于類似的目的。像這樣得到的碳的單質被稱為生物炭。

生物炭本不是什么新鮮事物，但長期以來，大家覺得生物炭除了用作燃料或者用于凈水、土壤改良等目的，似乎并沒有什么更多的價值。然而近些年來，人們逐漸意識到，這些簡便易得又疏松多孔的材料原來還可以被用于像電池這樣高端的應用，隨著研究的深入，蘊藏在生物炭上的價值還會被更多地發掘出來。或許在不遠的將來，當你看到滿載絲瓜的車駛出農場，千萬不要想當然地認為這些絲瓜只會走上餐桌或者變成刷碗布，它們很可能變成你手中筆記本電腦的電池的一部分呢。

作者：魏昕宇

發表于 2016-07-28 00:00
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