丝瓜瓤不仅能刷碗 还能造电池

说到丝瓜瓤，相信大家都不会陌生吧。它是丝瓜果实去掉表皮后晒干得到的网络状的物体。很多人喜欢用丝瓜瓤洗碗，效果毫不逊色于用合成纤维做的刷子。不过丝瓜瓤不仅可以用来刷碗，还可以有更加高大上的用途——做电池。这又是怎么回事呢？

众所周知，目前诸如笔记本电脑、手机这样的便携式电子产品主要依靠锂离子电池来提供能源。与其他类型的蓄电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度，因此几乎成了“寸土寸金”的便携式设备的不二选择。

然而随着便携式电子产品的广泛应用，人们希望这些设备在变得更加小巧轻便的同时，电池能有更强的续航能力，这就要求锂离子电池的能量密度有进一步的提升。与此同时，电动汽车等新产品的开发也对锂离子电池提出了更高的要求。不幸的是，目前的锂离子电池的性能几乎已经达到极限，很难再有更大的提升。

面对挑战，科学家们提出，锂离子电池要想更上一层楼，必须“脱胎换骨”，进行比较大的改进。其中一种方案是将目前用作锂离子电池正极材料的各种锂盐替换成硫。硫可以与金属锂一起参与电化学反应，实现电池的充电/放电循环。这样一来，锂离子电池就变成了锂-硫电池。与锂离子电池相比，锂-硫电池在理论上能够提供更高的能量密度，而且硫在地球上储量丰富，生产成本也不高。因此锂-硫电池很受研究人员的青睐。

然而到目前为止，锂-硫电池的产业化仍然面临不小的困难，有许多技术上的难题还未能完全克服，其中一个比较大的问题是所谓的“飞梭效应”(shuttle effects)，这是什么意思呢？理想情况下，在充放电过程中，硫应该老老实实地以固体的形式呆在正极中。然而实际上在这一过程中，正极形成的一种被称为聚硫离子[1]的物质能够溶解在电池的电解液中，在正极和负极之间来回穿梭，与两个电极不断发生化学反应，其结果是在使用过程中，电池的性能很快下降[2]。

那么如何抑制飞梭效应呢？一些研究人员想到，既然聚硫离子喜欢往电解液里面跑，那就在正极外面加一层保护性的隔膜，让聚硫离子想跑也跑不掉。那么这层隔膜该用什么材料制成呢？它必须能够导电，而且最好疏松多孔，这样才能在阻挡聚硫离子的同时不影响电池正常的工作。聪明的研究人员很快想到，碳的单质是非常合适的一个选择。很快，人们能想到的含碳的材料，例如碳纳米管和石墨烯，都被拉过来进行“面试”，而测试的结果还不错，用这些材料做成的隔膜确实能够抑制飞梭效应，提高锂-硫电池的寿命[3]。

但问题随之而来：像碳纳米管这样的材料往往需要人工合成，费时费力，价格也往往很高。当然，通过不断改进工艺，这些材料的生产成本是有可能不断被降低的。不过也有研究人员转换了思路，他们指出：自然界有没有现成的材料呢？

顺着这个思路，来自中国和澳大利亚两国的研究人员把目光投向了丝瓜瓤。丝瓜瓤本身具有高度疏松多孔的结构，这与隔膜的要求非常一致。不过丝瓜瓤本身是由纤维素等材料组成，并不导电，不能直接用作隔膜。不过这个问题解决起来也不难，只需要把丝瓜瓤放到几百摄氏度的高温下隔绝氧气进行处理，这称为热裂解。通常在这么高的温度下，类似丝瓜瓤这样的有机物很快就燃烧殆尽，然而由于隔绝了氧气，丝瓜瓤并不会燃烧，相反，其中的氢和氧两种元素都变成气体跑掉了，而碳元素则留了下来，原先存在于丝瓜瓤中的孔洞则基本暴露下来。经过这样处理的丝瓜瓤被研磨成粉末，再与其他材料混合制成薄膜，就得到了我们所需要的隔膜[4]。

有趣的是，丝瓜瓤中含有少量的氮元素，经过高温处理仍然会得以保留。然而研究人员不仅不觉得这是一个缺点，相反还很欢迎氮元素留下来。因为此前有研究表明，向碳单质制成的隔膜中掺入少量的氮元素能够提高隔膜的性能。别人要额外添加的东西，这里已经“自备”了，当然是很好的事情。

那么这种用丝瓜瓤做成的薄膜效果如何呢？测试表明，如果不使用隔膜对电极进行保护，经过500次充放电循环，锂-硫电池的比容量（单位质量或者体积的电池或者活性物质能够放出的电量，这里用的是质量比容量）只有原先的不到20%，而如果使用了经过900 oC裂解处理的丝瓜瓤制成的隔膜，经过500次循环，电池的比容量仍然能够保持原先的一半。这与此前利用合成方法制成的隔膜所提供的保护效果相当，但利用丝瓜瓤为原料无疑在原材料和生产成本上都具有一定的优势[4]。

事实上，丝瓜瓤并不是唯一被想到的来自自然界的原料。在几年以前，曾经有研究者做过几乎一模一样的研究，只不过它们用来保护锂-硫电池的隔膜是来自于木薯在高温下的裂解[5]。除此之外，还有许多来自自然界的原料，特别是农牧业生产中的废料，都曾经被用于类似的目的。像这样得到的碳的单质被称为生物炭。

生物炭本不是什么新鲜事物，但长期以来，大家觉得生物炭除了用作燃料或者用于净水、土壤改良等目的，似乎并没有什么更多的价值。然而近些年来，人们逐渐意识到，这些简便易得又疏松多孔的材料原来还可以被用于像电池这样高端的应用，随着研究的深入，蕴藏在生物炭上的价值还会被更多地发掘出来。或许在不远的将来，当你看到满载丝瓜的车驶出农场，千万不要想当然地认为这些丝瓜只会走上餐桌或者变成刷碗布，它们很可能变成你手中笔记本电脑的电池的一部分呢。

参考文献和注释：

[1] 聚硫离子(polysulfide)，在这里指的是化学式为Sn2- 的阴离子。在另外一些场合，polysulfide译为“多硫化物”。

[2] Arumugam Manthiram, Yongzhu Fu, Sheng-Heng Chung, Chenxi Zu, and Yu-Sheng Su, “Rechargeable Lithium–Sulfur Batteries”, Chemical Reviews, 2014, 114, 11751

[3] Xingxing Gu, Chuan-jia Tong, Chao Lai, Jingxia Qiu,  Xiaoxiao Huang, Wenlong Yang, Bo Wen, Li-min Liu,   Yanglong Hou and   Shanqing Zhang,   “A porous nitrogen and phosphorous dual doped graphene blocking layer for high performance Li–S batteries”, Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 16670

[4] Xingxing Gu, Chuan-Jia Tong, Sarish Rehman, Li-Min Liu, Yanglong Hou, and Shanqing Zhang, “Multifunctional Nitrogen-Doped Loofah Sponge Carbon Blocking Layer for High-Performance Rechargeable Lithium Batteries”, ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 25, 15991

[5] Furong Qin, Kai Zhang, Jing Fang, Yanqing Lai, Qiang Li, Zhian Zhanga and Jie Lia , “High performance lithium sulfur batteries with a cassava-derived carbon sheet as a polysulfides inhibitor”, New Journal of Chemistry, 2014, 38, 4549