川大卢灿辉教授团队JMCA：将海洋漂浮生物质垃圾转化为高性能锌锰电池- 大数跨境

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川大卢灿辉教授团队JMCA：将海洋漂浮生物质垃圾转化为高性能锌锰电池

科学材料站

2020-08-09

导读：本文采用一种有效的策略将漂浮在海面的多孔生物质垃圾转化为高性能Zn-MnO2二次电池。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，并且可以促进电解质的扩散和离子的传输。

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高值化利用生物质废弃物：从海洋漂浮垃圾到高性能超安全的Zn-MnO2电池

First published: 06 Aug 2020

作者：赵江琦，邬宛霖，贾茜雯，夏添，李庆业，张建，王群豪

通讯作者：张伟*，卢灿辉*

单位：四川大学

研究背景

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。锂离子电池由于具有较高的能量密度和较长的循环寿命而被广泛应用。但金属锂的稀缺和高成本在一定程度上制约了锂电池的发展。

此外，锂电池也存在易燃、易爆等安全隐患。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。

电极材料是影响储能器件性能的关键因素之一。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。

自然界每年产生的生物质废弃物数量巨大，虽然其中的大部分通过生物循环过程被自然降解，但仍有大量的生物质废弃物，如散落在街道或水面上的树叶或稻草秸秆成为垃圾，影响环境美观，也造成生物质资源的浪费。因此，开发简单、高效、绿色的方法将这些生物质垃圾转化为高性能新型材料，不仅可以减轻其对环境的负面影响，也能产生较高的经济价值。

文章简介

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，并将制备的锌锰电池与柔性太阳能薄膜相结合，集成为自供电可穿戴系统（如图1所示）。

相关成果以“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）

该论文第一作者为四川大学博士生赵江琦和硕士生邬宛霖。

张伟副教授和和卢灿辉教授为本文共同通讯作者。

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

要点解析

要点一：电极材料具有取向且贯通的通道结构，有利于活性物质的均匀沉积

图2.

电极材料的微观形貌

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。

要点二：多级开放通道结构为电解质扩散和离子转移提供了良好的低阻通道

图3.

水系COG@MnO2//COG@Zn电池电化学性能

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）。

要点三：准固态电池具有超高的使用安全性

图4.

COG@MnO2//COG@Zn准固态电池电化学性能及安全性

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。

要点四：构建自供电可穿戴系统

图5.

利用准固态电池构建自供电可穿戴系统

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）。

结论

本文采用一种有效的策略将漂浮在海面的多孔生物质垃圾转化为高性能Zn-MnO2二次电池。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，并且可以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。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。

文章链接:

High-value utilization of biomass waste: from ocean floating garbage to high-performance rechargeable Zn-MnO2 batteries with superior safety

https://doi.org/10.1039/D0T A05926A

导师介绍:

卢灿辉

高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）、四川大学高分子研究所教授、博士生导师，四川省学术与技术带头人，四川省有突出贡献优秀专家，兼任中国塑料加工工业协会专家委员会副秘书长、四川省轮胎翻新与利用协会副会长。

主要研究领域包括高分子材料固相力化学，天然高分子微纳米复合材料，生物质基柔性传感、纳米发电、电化学储能器件的设计、构建及其在可穿戴设备中的应用研究，难再生废弃高分子材料高效高值回收利用加工集成化关键新技术等领域的科学研究和技术开发等。

卢灿辉教授已在国内外知名学术期刊发表论文200多篇。近年来在聚烯烃高填充无机粉体复合材料、废旧轮胎橡胶和特种橡胶高值化利用新技术和新装备、纳米纤维素制备和功能材料等技术开发和产业化应用取得突出成绩，其中15项研究成果实现产业化应用，取得重大的经济效益和社会效益。研究成果曾荣获“国家技术发明奖”二等奖、“教育部科学技术奖”一等奖及中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国专利金奖和其他省部级科技进步二等奖5项。

张伟

四川大学高分子研究所副教授，硕士生导师，高分子材料工程国家重点实验室固定研究人员，国家国际科技合作基地高分子材料与工程国际联合研究中心办公室主任，四川大学（石狮市）先进高分子材料研究中心副主任，泉州市高层次人才。

美国制浆与造纸工业技术协会（TAPPI）会员、中国化学会会员、中国生物医学工程学会会员。担任Current Research in Biopolymers、Current Chinese Chemistry、Journal of Polymer Science Research等8种学术期刊编辑或编委。是Advanced Materials、ACS Nano等60余种SCI学术期刊的通讯评审人。

张伟教授在国际学术刊物如Nano Letters、Biomacromolecules、Journal of Materials Chemistry等SCI期刊上发表70余篇研究论文，被Chemical Reviews、Advanced Materials、JACS等学术期刊多次引用，其中SCI他引2200余次，H指数29，ESI高被引论文4篇。申请中国发明专利10余项，获授权5项。主要从事天然高分子材料的研究，在纤维素纤维增强聚合物复合材料、纤维素纳米纤维的制备和功能化改性应用、纤维素基电器件材料方面取得重要进展。部分研究成果受到国内外学术界的关注，被科技日报，C&EN，VerticalNews，PharmacyChoice等科技新闻媒体报道。获国际先进材料学会(IAAM)科学家奖(Scientist Medal)、四川大学青年骨干教师奖、四川大学本科毕业论文指导教师奖一等奖、四川大学好未来优秀学者奖一等奖等奖励。

课题组介绍

课题组是一支人员组成合理、创新能力强、具有很大发展潜力的研究队伍，依托 “高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）“，围绕 “新材料”和“难再生废弃高分子材料高效、高质、高值回收与再制造”的国家重大需求开展研究，主要开展废弃橡胶（包括特种橡胶）及交联型废弃高分子材料的解交联再生利用及再制造技术与制备的研究，围绕可再生资源开展纤维素/甲壳素的微纳米加工及其与二维材料的宏观组装，重点研究其在柔性传感、纳米发电、电化学储能器件的设计、构建及其在可穿戴设备中的应用，相关成果发表在Advanced Materials、Angew Chem Int Ed、Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Nano等期刊，文章得到广泛引用和正面评价。

课题组现有教师4人，博士研究生9人，硕士研究生22人，与美国佐治亚理工大学在纳米纤维素和光电材料与器件，与加拿大英属哥伦比亚大学在生物质能源与材料、与英国Bradford大学在废弃高分子材料回收利用与再制造方面开展合作。