变废为宝！废弃咖啡渣造电池，是锂电池容量的十倍
发布日期：2024/10/17
来源：ShutterStock
咖啡，作为打工人的“生命之水”，已经风靡世界几百年。
作为最受欢迎的饮料之一，全球每天咖啡消费量约为22.5亿杯，每年总计超过4000亿杯。过去十年，全球咖啡消费量稳步增长，截至2021年，咖啡消费量已超过1000万吨。
图说：全球咖啡消费量 来源：Pagett et al.
与此同时，每消费1公斤咖啡，大约就会有0.9公斤的咖啡渣被作为废物丢弃。这导致了饮料行业每年都会产生数百万吨的废弃咖啡渣。
当这些咖啡渣被送往垃圾填埋场进行填埋处理时，还会分解并释放出甲烷这种强效温室气体。
为了将这些巨量的咖啡渣“变废为宝”，科学家对于咖啡渣的化学、功能和结构特性进行了分析，结果发现，咖啡渣中含有大量纤维素和木质素，是一种丰富而廉价的碳资源。
据报道，目前咖啡渣已经能够合成各种形式的碳材料，包括活性炭、中孔碳、碳纳米片、碳纳米管、石墨烯片纤维（即石墨化碳纳米管）和颗粒状石墨烯。
而澳大利亚新南威尔士大学目前正在进行一些创新研究，其中包括利用生物质衍生碳提升锂硫电池的稳定性。在这个过程中，研究人员盯上了咖啡渣。
随着风、光等间歇性可再生能源装机量的不断提升，储能电池作为配套设备必不可少。
而锂硫电池就被认为是下一代储能电池的可选方案之一。
来源：Wikipedia
锂硫电池理论容量高达1675 mAh g-1，比目前商业化的锂离子电池（160 mAh g-1）容量高出了10倍以上。这主要是因为硫在氧化还原过程中一次反应可容纳16个锂原子，而锂离子电池只能容纳0.5-0.7个锂原子。
然而，阻碍锂硫电池发展的一个关键问题是，电池电极上含硫化学物质的稳定性较差。这些化学物质往往会迁移，导致电池容量在多次充电和放电循环中损失。
稳定锂硫电池化学成分的方法之一是在电极内创建多孔结构，从而有助于物理捕获化学物质，防止性能损失。
而碳纳米材料则是Li-S电池中电极添加剂的常用选择，比如使用碳纳米管、碳球、石墨烯等作为硫活性电极材料的添加剂。因为它们具有导电性并且在微米和纳米尺度上具有高度多孔结构。
这正好与咖啡渣衍生碳的功能不谋而合。目前，从废咖啡渣中提取的多孔碳已在气体分离、甲烷储存等许多领域得到应用，但缺少在锂硫电池上应用的研究。
而新南威尔士大学化学学院的研究人员发现，由咖啡废渣碳制成的多孔碳材料，其高表面积和孔隙率非常适合截留多硫化锂，刚好有利于延长锂硫电池的寿命。 在这项研究中，研究人员分析了热解咖啡渣是否能够改善锂硫电池原型的性能和稳定性。
研究人员先将废弃的浓缩咖啡渣（Campos Superior Blend）在9巴的压力和95°C的高温下加热，制备出碳材料的前体。
然后将这些废咖啡渣放入水平管式炉中，在900°C下热解15分钟，以产生黑色热解咖啡碳源。
终活性材料由 1:1 wt%的热解咖啡渣和α-S8的混合物组成（这意味着只有50%的热解咖啡渣可被视为具有电化学活性）。
活性材料经过混合加工后用来制备电极材料。技术人员用刮刀将电极材料铸造到铝箔基材上，并在真空下以100°C干燥，最终制备出了锂硫电池的硫基电极。
为了进行比较，研究人员还以相同的程序制作了传统锂硫电池的标准电极，即以炭黑（碳单质）和硫单质组成的硫基电极。
图说：论文作者之一Bruce Cowie 博士在软X射线光谱仪前进行试验数据测量来源：Djuandhi et al.
在电化学测试中，研究人员使用电池循环系统，在1.7到2.6 V之间对制备出的Li-S纽扣电池进行恒流放电和充电（即施加恒定电流并测量电池电压的变化），同时也对使用炭黑做电极材料的锂硫电池进行了对照实验。
结果发现，虽然标准电极最初产生的放电容量为771 mAh g-1，高于含咖啡负极的放电容量（489 mAh g-1），但该容量在20次循环内迅速损失至209 mAh g-1，预期的活性硫含量(37.5 wt%) 也比Li-S电极的使用标准（>75 wt%）含量低50%。
相反，当使用热解咖啡电极时，研究人员观察到较小且更稳定的变化，在第100次循环后锂硫电池的比例容量缓慢稳定在340 mAh g-1，且库仑效率仍然大于98%。
图说：实验设计示意图来源：Djuandhi et al.
这说明，与仅使用炭黑作为电极碳源的标准锂硫电池相比，用热解咖啡渣混合物做电极的锂硫电池表现出了明显的循环性改善。
这些结果清楚地表明，使用咖啡渣衍生碳改善锂硫电池具有巨大的潜力，该研究结果对当前关于利用生物质衍生废物流的文献也是一个有价值的补充。
只需将热解咖啡渣（通过 900°C 的简易一步热解获得）添加到Li-S 电池的负极中，即可显著提高电池稳定性和电化学性能。这种稳定性改善很大程度上与生物质废弃咖啡渣提供的大中孔碳结构和无序硬碳基材料的复杂性有关。
咖啡渣衍生碳作为电极材料，已显示出出色的电化学性能，并因其成本低、电导率高、极化和化学稳定性，可应用于电容器/超级电容器、电池、电化学传感器等元件上。
总的来说，这些研究成果也代表了一种新的环保和循环经济方法论，不仅可以帮助解决生物质废物带来的甲烷排放问题，还可以为许多电化学应用提供廉价且高性能碳基材料，一举两得。
不过，目前取得的实验结果仅限于纽扣电池，研究人员的实验还需要进一步从小型纽扣电池过渡到更大的袋式电池，以证明商业可行性并进一步优化。
来源： 环球零碳
