王媛媛

在美國馬里蘭大學，最美的景色出現(xiàn)在秋季。校園里遍布著橡樹，每年深秋，大量的樹葉會從樹上掉落，幾乎能鋪滿校園內(nèi)的所有草坪。

不過，作為一所研究型的大學，這里的學生和教授們可能不會因為這樣的場景產(chǎn)生什么詩意，但它的確也會帶來一些靈感。比如其能源研究中心的一個課題組，就從落下的橡樹葉上看到了新的價值—不是一首詩的主題，而是一種制作鈉電池的新材料。

該課題組的研究項目是，如何利用具有自支撐結(jié)構(gòu)的多孔碳膜，作為負極材料來實現(xiàn)鈉離子的存儲，通俗點說，就是研究人員需要尋找能儲存鈉離子的最佳載體，然后制作成電池。這個載體應(yīng)該是薄膜結(jié)構(gòu)，需要有能容納鈉離子并允許其流動的多孔，最好還是在自然界本身就存在的形態(tài)。

最后一點其實很關(guān)鍵。因為鈉離子電池主要的應(yīng)用場景就是大規(guī)模能源存儲，比如電站等，所以，較低的電極材料成本是一個必要條件。目前，全球研究鈉離子電池的項目，都會嘗試將自然界中的各種生物質(zhì)原料搬進實驗室里。

但出于該領(lǐng)域一直遵循的一個習慣，此前，這些實驗應(yīng)用的電極材料基本都是粉末狀的，用這種原料制作電極時，需要先黏合、再制導，整個工藝比較復雜。另外，這些電極材料首次充放電的庫倫效率（第一次釋放出的鈉離子與充入的鈉離子的比值）普遍不高，容易造成電極材料的浪費。

所以，馬里蘭的研究員們這次的研究首先就明確了一點：找到一種本身就呈現(xiàn)二維薄膜狀結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)，以作為鈉電池的現(xiàn)成載體，再將其碳化，直接得到連續(xù)的導電多孔碳膜。

解決這個問題的答案意想不到的簡單—自然界中的葉子，不僅是天然的二維薄膜結(jié)構(gòu)，而且還因為光合作用，是一種天然的多孔材料。葉子的厚度基本在 100微米左右，與電池中負極極片的厚度相當。而且，橡樹葉的背面布滿細孔，可以充分吸收鈉電子，如此，正面就會成為一層層納米結(jié)構(gòu)碳，可以吸收攜帶電荷的鈉，整個過程形成了鈉電池的正負兩極—不只橡樹葉，其他具有類似結(jié)構(gòu)的樹葉也可以使用。

研究人員先把橡樹葉放入1000攝氏度的高溫中烘烤一小時，讓樹葉完全碳化，形成了自支撐的碳膜，隨后把鈉加入其中。

“研究了它的鈉離子存儲性能后，結(jié)果如我們所料，儲鈉容量與粉末狀生物質(zhì)相當，表面積卻遠遠小于其他粉末狀生物質(zhì)基碳材料，因此，其首次庫倫效率非常高，接近75%，這就大大提高了電極材料的使用效率。”參與了馬里蘭大學這一課題，并且是該課題主要負責人之一的李紅變對《第一財經(jīng)周刊》說，她的另一個身份是中國國家納米科學中心副研究員。

此前，馬里蘭大學這個課題組試驗過不少鈉離子電池材料，比如碳化的納米紙。但是這需要先制備納米纖維素，再制備納米紙以及碳化，過程比較耗時，成本也較高。這個團隊甚至還曾將一塊極薄的木片裹上錫，制作出微小、長效的電池—這個研究或許也給了他們采用樹葉的靈感。不過，木質(zhì)電池存儲量并不大，而且并不如掉落下的廢棄樹葉環(huán)保。

但樹葉材料的鈉離子電池研發(fā)的最大難點是，如何制備大面積的碳膜。李紅變他們的方法是，在碳化過程中將樹葉疊加起來，這使得樹葉被“焊接”在了一起。而且，讓研究人員們驚喜的是，這并沒有影響樹葉的導電性，被“焊接”起來的層層樹葉的這一性能，基本與單片樹葉持平。

相比目前已廣泛應(yīng)用的鋰電池，鈉離子電池的應(yīng)用場景還比較局限。這是因為鈉離子的半徑更大，在電極材料中的遷移難度要大于鋰離子，因此，充放電速度過快時，容量會迅速下降。這也是鈉離子電池現(xiàn)在仍主要用于對充放電速度要求不是特別敏感的領(lǐng)域，而未能出現(xiàn)在手機等消費電子產(chǎn)品上的原因。

另外，同樣質(zhì)量的電池，鋰電池能提供更高的電壓。并且，鈉離子質(zhì)量是鋰離子的3倍，從產(chǎn)品輕便性的角度來看，鋰元素也似乎是首選。

鋰離子電池已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，技術(shù)也相對成熟。但是由于鋰資源有限，集中分布在南美，開發(fā)成本較高，近幾年，各種智能消費電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，以及汽車行業(yè)對新能源汽車的大力投資，也進一步拉高了全球的鋰價。

碳酸鋰的價格從去年12月初的每噸8萬元，已經(jīng)飆升到了現(xiàn)在的每噸近20萬元，而2014年年初，碳酸鋰的報價僅在每噸3.8萬元左右。

所以，尋找鋰的替代品，也成為能源研究者們目前的一個重點，而鈉離子就是其中一個選擇。

鈉元素在地殼上的含量超過2.6%，屬于較豐富的資源—而在更大范圍的海洋中，鈉也是一個主要元素，所以相對于鋰資源，它成本較低廉。如果選取樹葉作為電極材料，更是沒有成本—那些掉落下來的樹葉，撿起來就好了。

但充放電速度確實是限制鈉離子電池進一步發(fā)展的一個關(guān)鍵問題?！案倪M材料孔結(jié)構(gòu)、采用不同類型的鈉離子存儲機制等等方式，有可能改進充放電速度對鈉離子電池的限制，這也是我們未來研究的重點方向?！崩罴t變說。

事實上，有其他研究者似乎已找到了讓鈉離子電池“替代”鋰電池的方法。去年11月，法國的一個研究團隊就研發(fā)出了一款“18650”型號的鈉電池，也就是底面直徑為1.8厘米，高度為6.5厘米的柱狀電池。這算是鈉離子電池研究領(lǐng)域的一個突破，因為據(jù)說，“18650電池可以被普遍用于筆記本、LED手電等消費電子產(chǎn)品，以及特斯拉Model S等電動汽車上，它擁有和鋰電池同樣的電量提供能力。

目前，豐田也在研究一款以鈉電池為驅(qū)動力的電動汽車，而英國公司Faradion則與牛津大學合作，研發(fā)出了一款以鈉電池為驅(qū)動力的電動自行車。Faradion就是一家鈉電池公司，而且產(chǎn)品專為新能源車研發(fā)。

所以，說不定哪一天，你的智能手機、平板電腦的電池里或許就會有幾片樹葉呢。