近日，山東第一醫(yī)科大學(xué)和日本九州工業(yè)大學(xué)研究人員于最新一期美國化學(xué)學(xué)會《ACS Omega》雜志上發(fā)表了一篇報(bào)告，報(bào)告稱，他們采用“螃蟹殼”為原材料，制備成了具有廣泛用途的多孔、碳填充材料，隨后利用這種“蟹碳”制造了鈉離子電池的陽極材料。

這種陽極材料在放入模型電池中進(jìn)行測試時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其具有很高的容量，可以持續(xù)至少200次充放電循環(huán)。此項(xiàng)研究也將為升級循環(huán)其他廢料提供一個(gè)途徑，有助于研發(fā)更具有可持續(xù)性的電池技術(shù)。

圖片源自RODNAE Productions

作為鋰離子電池的有力競爭者，雖然鈉離子在化學(xué)性質(zhì)上與鋰類似，不過鈉離子更大，因此與鋰離子電池的陽極并不兼容。但硬碳與金屬半導(dǎo)體材料相結(jié)合時(shí)，該材料就可以成為一種電池陽極。因此，研究人員想要探索兩種不同的過渡金屬二鹵屬化合物（TMD）——硫化錫（SnS2）與硫化鐵（FeS2），如何與用螃蟹殼制成的硬碳結(jié)合，才能制成可用的鈉離子電池陽極。

為了制造“蟹碳”，研究人員先將螃蟹殼加熱至1000華氏度以上，然后將這種碳加入到硫化錫或硫化鐵溶液中，再將其進(jìn)行干燥處理制成陽極。“蟹碳”的多孔、纖維結(jié)構(gòu)可以為陽極提供一個(gè)很大的表面積，可提升材料的導(dǎo)電性以及有效傳輸離子的能力。

“蟹殼”鋅電池

此前早在2022年9月，美國馬里蘭大學(xué)科學(xué)家便在《物質(zhì)》雜志中發(fā)表了一篇論文，研究人員采用蟹殼中的幾丁質(zhì)制造了一種可生物降解的鋅離子電池，這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅可以讓鋅金屬電池實(shí)現(xiàn)高倍率和耐用性，也表明天然生物聚合物在可持續(xù)和綠色能源存儲應(yīng)用中的潛力。

該論文的主要作者、馬里蘭大學(xué)材料創(chuàng)新中心主任胡良兵說，在這項(xiàng)研究中，他們使用殼聚糖作為凝膠電解質(zhì)。殼聚糖是幾丁質(zhì)的衍生產(chǎn)品，其來源于甲殼素，這也是自然界中含量最豐富的聚合物。它存在于甲殼類動(dòng)物的外殼中，包括螃蟹、蝦、龍蝦、昆蟲外骨骼和真菌細(xì)胞壁。

研究人員將甲殼素進(jìn)行化學(xué)處理，并添加醋酸水溶液，最終合成電池的電解質(zhì)。電池通過電解質(zhì)使離子在帶正電和帶負(fù)電的端子之間來回穿梭。許多電池使用易燃或腐蝕性化學(xué)品，而新開發(fā)的電池使用一種稱為殼聚糖的生物材料來制成凝膠電解質(zhì)，且在1000次電池回圈后的能源效率為99.7%，完全可以用來儲存風(fēng)能和太陽能的電力。

基于殼聚糖生物材料的可持續(xù)鋅金屬電池示意圖

每年，食品行業(yè)會產(chǎn)生 600-800萬噸蟹、蝦和龍蝦殼廢料，卻通常被傾倒在垃圾填埋場或海洋中，這種處理方式成本每噸可能超過100美元，且對環(huán)境不利。因此，從生產(chǎn)“蟹碳”作為鈉離子電池陽極材料和利用幾丁質(zhì)制作可生物降解電池兩種角度來看，將這些昂貴的、需要扔掉的外殼都重新利用進(jìn)而有用的材料，對于環(huán)境保護(hù)十分重要。

這兩種高倍率、高容量性能，以及高安全性、可生物降解性、低成本的應(yīng)用方式，也將使得蟹殼有望用于大規(guī)模的電池應(yīng)用中。

參考來源：財(cái)聯(lián)社、環(huán)球零碳、新能源創(chuàng)新材料

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