用树叶做电池？

王媛媛

在美国马里兰大学，最美的景色出现在秋季。校园里遍布着橡树，每年深秋，大量的树叶会从树上掉落，几乎能铺满校园内的所有草坪。

不过，作为一所研究型的大学，这里的学生和教授们可能不会因为这样的场景产生什么诗意，但它的确也会带来一些灵感。比如其能源研究中心的一个课题组，就从落下的橡树叶上看到了新的价值—不是一首诗的主题，而是一种制作钠电池的新材料。

该课题组的研究项目是，如何利用具有自支撑结构的多孔碳膜，作为负极材料来实现钠离子的存储，通俗点说，就是研究人员需要寻找能储存钠离子的最佳载体，然后制作成电池。这个载体应该是薄膜结构，需要有能容纳钠离子并允许其流动的多孔，最好还是在自然界本身就存在的形态。

最后一点其实很关键。因为钠离子电池主要的应用场景就是大规模能源存储，比如电站等，所以，较低的电极材料成本是一个必要条件。目前，全球研究钠离子电池的项目，都会尝试将自然界中的各种生物质原料搬进实验室里。

但出于该领域一直遵循的一个习惯，此前，这些实验应用的电极材料基本都是粉末状的，用这种原料制作电极时，需要先黏合、再制导，整个工艺比较复杂。另外，这些电极材料首次充放电的库伦效率（第一次释放出的钠离子与充入的钠离子的比值）普遍不高，容易造成电极材料的浪费。

所以，马里兰的研究员们这次的研究首先就明确了一点：找到一种本身就呈现二维薄膜状结构的生物质，以作为钠电池的现成载体，再将其碳化，直接得到连续的导电多孔碳膜。

解决这个问题的答案意想不到的简单—自然界中的叶子，不仅是天然的二维薄膜结构，而且还因为光合作用，是一种天然的多孔材料。叶子的厚度基本在 100微米左右，与电池中负极极片的厚度相当。而且，橡树叶的背面布满细孔，可以充分吸收钠电子，如此，正面就会成为一层层纳米结构碳，可以吸收携带电荷的钠，整个过程形成了钠电池的正负两极—不只橡树叶，其他具有类似结构的树叶也可以使用。

研究人员先把橡树叶放入1000摄氏度的高温中烘烤一小时，让树叶完全碳化，形成了自支撑的碳膜，随后把钠加入其中。

“研究了它的钠离子存储性能后，结果如我们所料，储钠容量与粉末状生物质相当，表面积却远远小于其他粉末状生物质基碳材料，因此，其首次库伦效率非常高，接近75%，这就大大提高了电极材料的使用效率。”参与了马里兰大学这一课题，并且是该课题主要负责人之一的李红变对《第一财经周刊》说，她的另一个身份是中国国家纳米科学中心副研究员。

此前，马里兰大学这个课题组试验过不少钠离子电池材料，比如碳化的纳米纸。但是这需要先制备纳米纤维素，再制备纳米纸以及碳化，过程比较耗时，成本也较高。这个团队甚至还曾将一块极薄的木片裹上锡，制作出微小、长效的电池—这个研究或许也给了他们采用树叶的灵感。不过，木质电池存储量并不大，而且并不如掉落下的废弃树叶环保。

但树叶材料的钠离子电池研发的最大难点是，如何制备大面积的碳膜。李红变他们的方法是，在碳化过程中将树叶叠加起来，这使得树叶被“焊接”在了一起。而且，让研究人员们惊喜的是，这并没有影响树叶的导电性，被“焊接”起来的层层树叶的这一性能，基本与单片树叶持平。

相比目前已广泛应用的锂电池，钠离子电池的应用场景还比较局限。这是因为钠离子的半径更大，在电极材料中的迁移难度要大于锂离子，因此，充放电速度过快时，容量会迅速下降。这也是钠离子电池现在仍主要用于对充放电速度要求不是特别敏感的领域，而未能出现在手机等消费电子产品上的原因。

另外，同样质量的电池，锂电池能提供更高的电压。并且，钠离子质量是锂离子的3倍，从产品轻便性的角度来看，锂元素也似乎是首选。

锂离子电池已经经过了几十年的发展，技术也相对成熟。但是由于锂资源有限，集中分布在南美，开发成本较高，近几年，各种智能消费电子产品的出现，以及汽车行业对新能源汽车的大力投资，也进一步拉高了全球的锂价。

碳酸锂的价格从去年12月初的每吨8万元，已经飙升到了现在的每吨近20万元，而2014年年初，碳酸锂的报价仅在每吨3.8万元左右。

所以，寻找锂的替代品，也成为能源研究者们目前的一个重点，而钠离子就是其中一个选择。

钠元素在地壳上的含量超过2.6%，属于较丰富的资源—而在更大范围的海洋中，钠也是一个主要元素，所以相对于锂资源，它成本较低廉。如果选取树叶作为电极材料，更是没有成本—那些掉落下来的树叶，捡起来就好了。

但充放电速度确实是限制钠离子电池进一步发展的一个关键问题。“改进材料孔结构、采用不同类型的钠离子存储机制等等方式，有可能改进充放电速度对钠离子电池的限制，这也是我们未来研究的重点方向。”李红变说。

事实上，有其他研究者似乎已找到了让钠离子电池“替代”锂电池的方法。去年11月，法国的一个研究团队就研发出了一款“18650”型号的钠电池，也就是底面直径为1.8厘米，高度为6.5厘米的柱状电池。这算是钠离子电池研究领域的一个突破，因为据说，“18650电池可以被普遍用于笔记本、LED手电等消费电子产品，以及特斯拉Model S等电动汽车上，它拥有和锂电池同样的电量提供能力。

目前，丰田也在研究一款以钠电池为驱动力的电动汽车，而英国公司Faradion则与牛津大学合作，研发出了一款以钠电池为驱动力的电动自行车。Faradion就是一家钠电池公司，而且产品专为新能源车研发。

所以，说不定哪一天，你的智能手机、平板电脑的电池里或许就会有几片树叶呢。