螃蟹殼制作陽極材料！“蟹碳”的問世

近日，山東第一醫科大學和日本九州工業大學研究人員于最新一期美國化學學會《ACS Omega》雜志上發表了一篇報告，報告稱，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行測試時，研究團隊發現其具有很高的容量，可以持續至少200次充放電循環。此項研究也將為升級循環其他廢料提供一個途徑，有助于研發更具有可持續性的電池技術。

圖片源自RODNAE Productions

作為鋰離子電池的有力競爭者，雖然鈉離子在化學性質上與鋰類似，不過鈉離子更大，因此與鋰離子電池的陽極并不兼容。但硬碳與金屬半導體材料相結合時，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，再將其進行干燥處理制成陽極。“蟹碳”的多孔、纖維結構可以為陽極提供一個很大的表面積，可提升材料的導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，美國馬里蘭大學科學家便在《物質》雜志中發表了一篇論文，研究人員采用蟹殼中的幾丁質制造了一種可生物降解的鋅離子電池，這個發現不僅可以讓鋅金屬電池實現高倍率和耐用性，也表明天然生物聚合物在可持續和綠色能源存儲應用中的潛力。

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

研究人員將甲殼素進行化學處理，并添加醋酸水溶液，最終合成電池的電解質。電池通過電解質使離子在帶正電和帶負電的端子之間來回穿梭。許多電池使用易燃或腐蝕性化學品，而新開發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，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能和太陽能的電力。

基于殼聚糖生物材料的可持續鋅金屬電池示意圖

每年，食品行業會產生 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，且對環境不利。因此，從生產“蟹碳”作為鈉離子電池陽極材料和利用幾丁質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而有用的材料，對于環境保護十分重要。

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

參考來源：財聯社、環球零碳、新能源創新材料

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