薰衣草因其香味而享譽(yù)全球，但其農(nóng)業(yè)廢棄物（每年約1,000至1,500噸）長(zhǎng)期以來(lái)一直是一種未充分利用的副產(chǎn)品。據(jù)外媒報(bào)道，國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)成功地將這種花卉廢料轉(zhuǎn)化為硬碳（HC），并將其用作高性能電池陽(yáng)極材料。

圖片來(lái)源：《Journal of Power Sources》

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)預(yù)鈉化是穩(wěn)定由薰衣草花廢料制成的新一代低成本鈉離子電池（SIB）的最優(yōu)策略。此次突破解決了此前制約生物基電池材料性能的關(guān)鍵性“鈉儲(chǔ)備”短缺問(wèn)題。因?yàn)橹参锝M織的天然微觀結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)化過(guò)程中得以保留，這顯著增強(qiáng)了電解液的滲透性，使離子能夠更快地移動(dòng)，并提高了鈉的擴(kuò)散率，從而提高了電池的整體速度和效率。

為了構(gòu)建功能性的“全電池”系統(tǒng)，研究人員將薰衣草衍生的陽(yáng)極與P2型陰極（具體為Na0.67Mn0.9Ni0.1O2）配對(duì)。他們發(fā)現(xiàn)，在陰極結(jié)構(gòu)中引入鎳（Ni）至關(guān)重要，因?yàn)樗梢蕴岣唠娮訉?dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

研究人員用Na0.67MnNiO2作為陰極材料，以薰衣草花廢料衍生的硬碳作為陽(yáng)極材料，開(kāi)發(fā)出了成本效益高的鈉離子電池，并將其性能與各種預(yù)鈉化策略進(jìn)行了比較，包括直接接觸法、電化學(xué)法和化學(xué)法。

對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試表明，陰極容量為200mAh/g，100次循環(huán)后容量保持率為42%；陽(yáng)極容量達(dá)到360mAh/g，100次循環(huán)后容量保持率為67.4%。

研究人員解釋說(shuō)：“植物來(lái)源的硬碳既可持續(xù)又經(jīng)濟(jì)。這項(xiàng)研究凸顯了利用廣泛可得的前體開(kāi)發(fā)鈉離子電池的潛力，從而確保了全球能源轉(zhuǎn)型的可擴(kuò)展性?！?/p>

該體系面臨的主要挑戰(zhàn)之一是使用這些可持續(xù)材料時(shí)固有的“鈉缺乏”問(wèn)題。為了彌合這一差距，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地比較了三種預(yù)鈉化方法，以便在使用前向電池中“預(yù)加載”額外的鈉。其中，直接接觸法提供了最高的初始容量，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差；化學(xué)預(yù)鈉化法應(yīng)用可擴(kuò)展，但效果存在波動(dòng)；而電化學(xué)預(yù)鈉化法提供了更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和更高的能量密度。

該研究得出結(jié)論：電化學(xué)預(yù)鈉化提供了最佳平衡，能實(shí)現(xiàn)更高能量密度和長(zhǎng)期耐用性，從而滿足商用固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。

研究人員利用包括X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜在內(nèi)的常用技術(shù)，以及原位同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）光譜等非常規(guī)方法，對(duì)兩個(gè)電極的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了徹底表征，以追蹤實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)和電子變化情況。

這些結(jié)果表明，陰極保持了穩(wěn)定的六邊形結(jié)構(gòu)，而薰衣草衍生的陽(yáng)極具有多孔表面，非常適合鈉存儲(chǔ)。