沥青锂电池 5分钟就能充满电，科学家利用沥青将电池充电速度提高20倍

5分钟就能充满电，科学家利用沥青将电池充电速度提高20倍

最近，美国莱斯大学（Rice University）的一项研究显示，在大容量锂电池中加入一点沥青能够将充电速度提高 10 到 20 倍。

图 | 利用电子扫描显微镜，左图为拥有沥青，石墨烯纳米碳管以及金属锂的正极材料；右图为不含有沥青的正极材料。这种材料由美国莱斯大学研制，并能够被用来制造充电速度为锂电池 20 倍的高容量电池。

莱斯大学化学家 James Tour 的实验室研制出了一种利用沥青制造的多孔碳材电池阳极材料。这种阳极材料在 500 多次充放电循环后仍然能够保持稳定。

James Tour 表示：“利用这种材料，我们将能够制造出超大容量的电池。不过，更令人兴奋的一点是这种电池将能够在 5 分钟内完全充满电，而不像其他电池一样需要 2 小时及以上才能充满。”

过去，实验室的研究课题是利用天然沥青来吸收天然气中的温室气体。如今在研究电池时，

接下来，研究人员利用这种正电极材料与硫化碳负电极材料制造出了可供测试的电池。经过实验，这种电池拥有高达 1322 瓦特每千克的功率密度，以及高达 943 瓦时每千克的电能密度。

实验结果同时展示出这种电池的另一个好处：电池中的碳阻止了锂结晶的形成。 这些锂结晶会不断占据电解质的空间。当结晶过长时，它们有可能将电池短路，造成火灾甚至爆炸。但是，沥青中的碳阻止了锂结晶的形成。

在此实验室过去的一项研究中，研究人员发现利用石墨烯以及碳纳米管制造的正电极材料也能够阻止锂结晶的形成。 然而，Tour 表示这种新的材料更加简单。

Tour 继续表示：“虽然利用这两种正电极材料制造的电池容量基本都达到了锂电池的理论最大容量，新的沥青碳材料能够在同样的面积中包含更多的金属锂，使这种新电池生产更加简便以及便宜。与上一种电池相比，这种新电池的制造将不会包含化学气相沉积步骤，电子束蒸发步骤，并不需要利用石墨烯制造碳纳米管。这样一来，新电池的制造过程将大大简化。 ”

由于金属锂拥有极高的比容量以及极低的电化势，它一直是锂电池中正电极的最佳选择。但是，锂电极带来的锂结晶问题一直是可充电电池产业的一个重大挑战。在这项研究中，我们利用价格低廉的天然沥青制造的多孔碳材作为金属锂的基础。这种多孔碳材拥有高达 3000 平方米每克的表面积，使金属锂能够在这些表面上形成碳锂材料（Asp-Li）。

石墨烯纳米碳管将能够在高电流密度的情况下增加电极的导电性，形成 Asp–GNR–Li 材料。这种材料展现出了惊人的性能：5 A/gLi (1.3C) 到 40 A/gLi (10.4C)，并拥有>96% 的库伦效率。在 5 A/gLi (1.3C) 的情况下，电池能够稳定进行 500 多次充放电循环。电池的区域容量在最高的 20 mA/cm2 充放电率条件下达到了惊人的 9.4 mAh/cm2，这样的结果是普通锂电池的 10 倍，使这种电池能够实现超快速充电。 利用 Asp–GNR–Li 正极材料以及硫化碳负极材料制造的电池拥有高达 1322 瓦特每千克的功率密度，以及高达 943 瓦时每千克的电能密度。

变废为宝！我科学家实现废旧沥青“秒变”大型储能电池电极材料

科技日报记者 俞慧友

10月20日，记者从长沙理工大学获悉，该校贾传坤教授团队，通过对道路材料中废旧沥青进行高效分离、回收及资源化利用等研究，成功制备出一种具高比表面积的介孔碳材料。以该材料做为锂离子电池负极材料，比容量比现有商用石墨可提高近52%。研究同时发现，介孔碳材料作为电极，在钠离子电池、钾离子电池和大规模储能液流电池中均可表现出优异的电化学性能。这一将废旧沥青变废为宝，作为储能电池负极材料的重大成果一旦实现产业化落地，有望大幅度降低负极材料成本，助力新能源存储，及碳达峰碳中和目标的达成。日前，研究成果在线发表在国际知名能源期刊《电源杂志》（《Journal of Power Sources》）上。此外，团队“一种基于废旧沥青的离子电池负极材料的制备方法”和“一种液流电池用改性电极及其制备方法和液流电池”等两项重大成果，在3个月内便获中国发明专利授权。

大力发展并高效利用太阳能、风能等新能源，是实现“碳达峰碳中和”的有效途径之一。但众所周知，太阳能、风能等新能源的利用，存在不稳定、不连续的问题，须为其配备适合的储能装置。电化学储能，因不受地域限制、响应快、使用方便等优点，成为发展迅速、产业化应用潜力大的热门技术之一。决定电化学储能电池性能的重要因素之一，就是电极材料。不过，现有的碱金属离子电池负极碳基材料，存在比容量较低、原料来源成本上涨等问题。大规模储能用液流电池电极材料，也存在电导率低、比表面积低及催化活性差等问题。研发价廉物美的新电极材料，对推动电化学储能商业化进程尤为关键。

沥青是广泛应用的道路材料，我国公路每年因路面维护所产生的废旧沥青混合料就有近2亿吨。这些废旧沥青混合料不仅造成极大的资源浪费，还占用大量土地，处理过程会带来环境污染。因此，亟需开发新的废旧沥青回收资源化方法。

为此，贾传坤团队着力于将废旧沥青混合料的再利用，和价廉物美的电极材料两项研究进行“混搭”探索。经过近两年探索，团队在国际上首次实现以废旧沥青为碳源，制备出具三维孔状结构和高比表面积的介孔碳材料。研究结果表明，由废旧沥青得到的碳材料用作储能电池电极材料，能表现出较高的稳定性和电池性能。

“废旧沥青在储能中的资源化利用，不仅有效解决了废旧沥青带来的环境污染和回收成本高等问题，也为研发低成本高性能的锂/钠/钾离子电池负极材料和液流电池电极材料提供了新思路，一举两得。同时，回收处理用的样机，我们也已研发和制造出，这项成果正在洽谈落地产业化阶段。”贾传坤说。

编辑：张琦琪

审核：岳靓

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