木头也能造电池?性能或超锂电,无毒无害无污染

木头,这个我们熟知的绝缘体,竟然也可以被用来造电池?

瑞典电池制造商Northvolt近日颁布颁发,与芬兰林业公司Stora Enso签订了一项联合开发协议,将使用木质素基硬碳制造电池,这些木质素,均来源于北欧森林的可再生木材。

这些制造出来的电池,将成为100%可回收利用产品

Northvolt这件电池制造商,是由大众集团、西门子等巨头,在2016年创办的一家新能源公司。成立时间虽然不长,但已经成为欧洲的一家明星企业。

本年3月,Northvolt官宣将在德国北部荷尔斯泰因州新建一座超级电池工厂,成为在瑞典以外的第一家工厂,两个月后,Northvolt开始出货,成为第一家向汽车制造商提供动力电池的欧洲企业。

这显然是和宁德时代、松下以及LG新能源抢饭碗的。据悉,Northvolt计划在两年内上市,目前公司估值已达到120亿美元。Northvolt的目标是到2030年,在欧洲占据25%的市场份额,在欧洲安排的年产能达到或超过150GWh

与传统电池制造商比拟,Northvolt更加注重可再生能源和更低的碳排放量。这次的合作商Stora Enso,是一家综合林产品公司,主要产品有林产品、纸及包装纸。

此次双方合作,旨在降低碳足迹和制作成本,一经颁布颁发,就引发了不小的关注。

01 怎么用木材造电池?

新能源车苦高价原材久矣。

目前电动汽车市场上,制造电池所需要的主要金属元素是锂、钴、镍。这些金属元素一方面在地壳中的资源有限,另一方面这些矿产的开采和生产周期长。叠加国际因素,电池原材的价格居高不下。

这也导致电池供应链紧张,新车价格不竭上涨,就像零跑T03、smart精灵 1刚颁布颁发的涨价,均是由于原材价格太高。

寻找新的可再生、资源丰富且环境友好的替代品,已经成为电池厂商的头等大事。

木材这个可再生能源成为最佳选择,木材生产电池主要是源于木质素

木质素是一类复杂的有机聚合物,广泛存在于木质化植物的细胞中,它主要位于细胞与细胞之间的空隙,即胞间层,这也是细胞壁浓度最高的部位。

木质素在细胞壁的形成中特别重要,木质素的沉积——木质化后,可以增加导管的厚度、提高导管的硬度和韧度、维持导管中营养物质物质的运输顺畅。

此外,木质素还可以增强细胞的机械支持力或者抗压强度,促进机械组织的形成。木质素还能增强细胞的粘连性,是一种天然的强力粘合剂

木质素

木质素还存在于造纸工业副产品中,在此之前,作为废弃材,95%的木质素被以“黑液”的形式直接排入河流或者浓缩后燃烧掉。

但近年来多项研究表白,木质素可以应用于电池的制备。

波兰和瑞典的科学家最早注意到将植物体内的木质素氧化,将其与一种叫做多吡咯的物质结合,制造出多层聚合物电极。这种电极的电荷密度可以相当或者优于当前锂离子电池的水平,可达70-90mAh/g

由于木质素是造纸工业的副产品,所以木质素成本便宜、来源广泛。通过简单温和的化学活化制备的多孔木质素基碳,已成为环境净化、电催化和储能领域的研究热点,尤其是可以作为锂离子电池的负极材

02 木材还能为电池提供什么?

其实近十年来,已有不少学者将木质素应用于电池制备相关的研究。

比如采用可再生资源和造纸工业废物木质素磺酸钠——木质素通过磺化改性转化为木质素磺酸盐——作为掺杂剂和模板,最后通过化学氧化法制得具有层状结构的聚吡咯/石墨烯层状纳米复合材,这些复合材可以组装成超级电容器

木材中的纤维素纳米纤维也是制作固体电解质的优质原。

目前常用的锂电池使用的电解质,因含有挥发性液体,有起火的风险,并且可能会促进枝晶的形成,影响电池发挥正常性能。虽然有科研人员采用陶瓷材制成的固体电解质,但是陶瓷材的脆性,并不能很好地承受电池充放电时的压力。

去年,美国布朗大学和马里兰大学的研究人员,从木材中的纤维素纳米纤维中找到了一种替代方法。

研究称,通过将铜与纤维素纳米纤维结合,可以证明通常离子绝缘的纤维素在聚合物链中提供了更快的锂离子传输。

而木材制成的聚合物管与铜结合形成的固体离子导体,导电性是其他聚合物离子导体的10-100倍

科研人员表示,这种材具有电化学不变性,可以容纳锂金属阳极和高压阴极,也可以作为一种粘合剂,在高密度电池中封装超厚的阴极。

此外,木质素还可以制备炭材

炭材具有良好的导电性,能够作为电极活性材应用于燃电池等电化学领域,在能源储存和转化领域具有广阔的应用前景。

工业木质素成本低廉、来源丰富,还有一个含碳量高,是制备炭材的优质原。2021年,伦敦帝国理工学院的研究人员,就从工业废弃副产品木质素中制备碳,使钠离子电池取代锂离子电池。

制纸工厂

树木的纹孔膜输运调控机制和天然结构,也给研究人员提供了创新的思路。

2021年,中国林科院木材工业研究所联合多所大学的研究团队,首次实现了木材次生细胞壁中聚集体薄层(lamella)的精准剥离,实现了锂金属电池性能的优化。

所分离的聚集体薄层可作为固态电解质界面膜,解决锂离子浓度调控难题,这突破了制约锂金属电池寿命的技术瓶颈,使电池寿命增加75%以上

03 木制电池离推广有多远?

比拟于传统电池原,木制电池最大的优势是环保

传统的纽扣电池和普通干电池中含有汞,废弃在自然环境中,汞就会慢慢渗入地下水,通过农作物进入人体,损害人的内脏。

一颗小小的纽扣电池被废弃在大自然中,可以污染60万升水,相当于一个人一生的用水量。充电电池也含有害重金属镉,在自然界中渗出,经过土地和水流,最终伤害人体。

而木制电池的原无需使用供应紧张的稀有金属。含木质素的有机纤维是纯绿色环保产品,无毒、无害,对自然环境来说,没有污染性。

木质素来源广泛,成本低廉。此前木质素的主要来源是制浆造纸工业产生的废水,因此又被叫做造纸黑

制浆造纸每年会从植物中分离出大约1.4亿吨纤维素,同时得到5000万吨摆布的木质素副产品。但是得到有效利用的工业木质素不超过10%。剩余被忽视的工业木质素,是一个巨大的待开发利用的“宝藏”。

据悉,自2015年以来,Stora Enso工厂已开始工业化生产木质素,年产能为50000 吨,Stora Enso也是全球最大的牛皮纸木质素生产商。

而木制电池的工业化推广也不会太遥远。

2021年,日本制纸与日本东北大学合作,利用从纸浆中提取的直径3纳米的“纤维素纳米纤维(CNF)”制作蓄电体,加工为薄膜状,以铝箔夹住,形成电极。

日本制纸称,计划在2023年度制造出面向室内小型无人机的试制电池,争取2030年用于智能手机和小型家电,还考虑用于纯电动汽车。

随着生产技术的进步,木制电池的性能优化和提升,更加环保的木制电池取代锂离子电池将成为可能。

“超电实验室”(ID:SuperEV-Lab),作者:王雨,经。

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