四川大学卢灿辉教授团队JMCA：将海洋漂浮生物质垃圾转化为高性能锌锰电池

随着便携式电子产品的迅猛发展，开发能够与之相匹配的高性能、低成本储能器件迫在眉睫。同时，日益严重的环境污染问题促使人们不断寻求更加清洁的能量转化和储存技术。近年来，水系锌离子电池引起人们越来越多的关注。它成本低、安全性高、兼具高能量密度和高功率密度、可快速充放电等优点，是最具竞争力的储能器件之一。然而，目前常用的电极材料大多由人工合成，存在原料不可再生、制备工艺复杂、成本高、产量低等缺点。生物质材料相比于合成材料，具有来源丰富、成本低、可再生、可生物降解、环境友好等优势，利用生物质材料制备高性能储能器件对于可持续发展具有重要意义。

近日，四川大学高分子研究所、高分子材料工程国家重点实验室卢灿辉教授团队提出一种将漂浮在海面上的生物质垃圾转化为高性能锌锰电池的方法，并将所制备的锌锰电池与柔性太阳能薄膜结合，集成为自供电可穿戴系统（如图1所示）。利用生物质垃圾内部的“蜂窝状”孔洞结构，碳化后得到3D多孔电极材料。电极材料内部的多级通道结构有利于提高电化学活性物质的负载量，同时也能促进电解质的扩散和离子的传输。制备的Zn-MnO2电池具有优异的储能容量、良好的倍率性能和循环稳定性，特别是使用安全性能十分出色，电池受多种外力破坏后仍可正常工作。通过进一步与柔性太阳能薄膜结合，构建了一种自供电能量棒，并验证了该自供电系统在可穿戴和便携式电子产品中的应用潜力。

图1. 利用海洋漂浮垃圾制备锌锰电池及自供电系统示意图

研究对象海洋漂浮垃圾（OG）具有类似“蜂窝状”的规整孔洞结构，高温碳化后这一结构被很好保留。碳化后生物质垃圾（COG）的大孔孔洞尺寸主要分布在100~500 μm之间（图2a），大孔周围还分布有大量的微小孔洞，尺寸主要分布在1~5 μm之间。电沉积的Zn纳米片（平均厚度约为60 nm）和水热沉积的MnO2（平均厚度约为20 nm）纳米片均匀分布在通道的表面和内部。

图2. 电极材料的微观形貌

测试结果表明，电极材料内部的多级开放通道结构，有利于电解质扩散和离子转移，使得该电极材料同时实现了电化学活性物质的高负载（51 mg/cm3）和高容量（306.7 mAh/g或15.1 mAh/cm3），以及良好的倍率性能（电流密度增大10倍，容量保持56.34%）和优异的循环稳定性（3000次循环充放电后仍能保持95.2%的容量）。

图3. 水系COG@MnO2//COG@Zn电池电化学性能

采用PVA/LiCl-ZnCl2-MnSO4凝胶作为电解质组装的COG@MnO2//COG@Zn准固态电池，能量密度高达20.5 mWh/cm3或420.1 Wh/kg，而且可以在非常宽的温度范围（-20~100℃）内安全工作，甚至受到一系列人为破坏（如穿刺、弯曲、锤击、切割和剪切）后，电池依然可以正常工作，表现出非常优秀的安全性能。

图4：COG@MnO2//COG@Zn准固态电池电化学性能及安全性

将该准固态锌锰电池与柔性非晶硅太阳能薄膜相结合，首次集成制得一种新型“自供电能量棒”。该自供电能量棒可以在室外/室内不同的光照强度下高效实现能量的收集和储存，并成功驱动可穿戴电子设备（手表和徽章）。

图5. 利用准固态电池构建自供电可穿戴系统

目前，相关研究工作主要围绕新型电化学活性物质的开发来提升锌离子电池的电化学性能。而本研究利用生物质废弃物自身特殊的多层次微观结构获得更优的性能。该方法具有简便、低成本、可大规模生产和应用等优势，为生物质废弃物的高值化利用和低成本制备高性能储能器件提供了新思路。

该成果以“High-value utilization of biomass waste: from ocean floating garbage to high-performance rechargeable Zn-MnO2 batteries with superior safety” 为题发表于国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A（影响因子11.301；DOI：org/10.1039/D0TA05926A）。

论文第一作者为四川大学高分子研究所博士生赵江琦和硕士生邬宛霖，张伟副教授和卢灿辉教授为本文共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D0TA05926A