木頭，這個我們熟知的絕緣體，竟然也可以被用來造電池？
瑞典電池制造商 Northvolt 前段時間宣布，與芬蘭林業(yè)公司 Stora Enso 簽訂了一項聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，將使用木質素基硬碳制造電池，這些木質素，均來源于北歐森林的可再生木材。
這些制造出來的電池，將成為 100% 可回收利用產品。
Northvolt 這家電池制造商，是由大眾集團、西門子等巨頭，在 2016 年創(chuàng)辦的一家新能源公司。成立時間雖然不長，但已經(jīng)成為歐洲的一家明星企業(yè)。
今年 3 月，Northvolt 官宣將在德國北部荷爾斯泰因州新建一座超級電池工廠，成為在瑞典以外的第一家工廠，兩個月后，Northvolt 開始出貨，成為第一家向汽車制造商提供動力電池的歐洲企業(yè)。
這顯然是和寧德時代、松下以及 LG 新能源搶飯碗的。據(jù)悉，Northvolt 計劃在兩年內上市，目前公司估值已達到 120 億美元。Northvolt 的目標是到 2030 年，在歐洲占據(jù) 25% 的市場份額，在歐洲部署的年產能達到或超過 150GWh。
與傳統(tǒng)電池制造商相比，Northvolt 更加注重可再生能源和更低的碳排放量。這次的合作商 Stora Enso，是一家綜合林產品公司，主要產品有林產品、紙及包裝紙。
此次雙方合作，旨在降低碳足跡和制作成本，一經(jīng)宣布，就引發(fā)了不小的關注。
01 、怎么用木材造電池？
新能源車苦高價原材料久矣。
目前電動汽車市場上，制造電池所需要的主要金屬元素是鋰、鈷、鎳。這些金屬元素一方面在地殼中的資源有限，另一方面這些礦產的開采和生產周期長。疊加國際因素，電池原材料的價格居高不下。
這也導致電池供應鏈緊張，新車價格不斷上漲，就像零跑 T03、smart 精靈 1 剛宣布的漲價，均是由于原材料價格太高。
尋找新的可再生、資源豐富且環(huán)境友好的替代品，已經(jīng)成為電池廠商的頭等大事。
木材這個可再生能源成為最佳選擇，木材生產電池主要是源于木質素。
木質素是一類復雜的有機聚合物，廣泛存在于木質化植物的細胞中，它主要位于細胞與細胞之間的空隙，即胞間層，這也是細胞壁濃度最高的部位。
木質素在細胞壁的形成中特別重要，木質素的沉積 —— 木質化后，可以增加導管的厚度、提高導管的硬度和韌度、維持導管中營養(yǎng)物質物質的運輸順暢。
此外，木質素還可以增強細胞的機械支持力或者抗壓強度，促進機械組織的形成。木質素還能增強細胞的粘連性，是一種天然的強力粘合劑。
木質素還存在于造紙工業(yè)副產品中，在此之前，作為廢棄材料，95% 的木質素被以“黑液”的形式直接排入河流或者濃縮后燃燒掉。
但近年來多項研究表明，木質素可以應用于電池的制備。
波蘭和瑞典的科學家最早注意到將植物體內的木質素氧化，將其與一種叫做多吡咯的物質結合，制造出多層聚合物電極。這種電極的電荷密度可以相當或者優(yōu)于當前鋰離子電池的水平，可達 70-90mAh/g。
由于木質素是造紙工業(yè)的副產品，所以木質素成本便宜、來源廣泛。通過簡單溫和的化學活化制備的多孔木質素基碳，已成為環(huán)境凈化、電催化和儲能領域的研究熱點，尤其是可以作為鋰離子電池的負極材料。
02 、木材還能為電池提供什么？
其實近十年來，已有不少學者將木質素應用于電池制備相關的研究。
比如采用可再生資源和造紙工業(yè)廢物木質素磺酸鈉 —— 木質素通過磺化改性轉化為木質素磺酸鹽 —— 作為摻雜劑和模板，最后通過化學氧化法制得具有層狀結構的聚吡咯 / 石墨烯層狀納米復合材料，這些復合材料可以組裝成超級電容器。
木材中的纖維素納米纖維也是制作固體電解質的優(yōu)質原料。
目前常用的鋰電池使用的電解質，因含有揮發(fā)性液體，有起火的風險，并且可能會促進枝晶的形成，影響電池發(fā)揮正常性能。雖然有科研人員采用陶瓷材料制成的固體電解質，但是陶瓷材料的脆性，并不能很好地承受電池充放電時的壓力。
去年，美國布朗大學和馬里蘭大學的研究人員，從木材中的纖維素納米纖維中找到了一種替代方法。
研究稱，通過將銅與纖維素納米纖維結合，可以證明通常離子絕緣的纖維素在聚合物鏈中提供了更快的鋰離子傳輸。
而木材制成的聚合物管與銅結合形成的固體離子導體，導電性是其他聚合物離子導體的 10-100 倍。
科研人員表示，這種材料具有電化學穩(wěn)定性，可以容納鋰金屬陽極和高壓陰極，也可以作為一種粘合劑，在高密度電池中封裝超厚的陰極。
此外，木質素還可以制備炭材料。
炭材料具有良好的導電性，能夠作為電極活性材料應用于燃料電池等電化學領域，在能源儲存和轉化領域具有廣闊的應用前景。
工業(yè)木質素成本低廉、來源豐富，還有一個含碳量高，是制備炭材料的優(yōu)質原料。2021 年，倫敦帝國理工學院的研究人員，就從工業(yè)廢棄副產品木質素中制備碳，使鈉離子電池取代鋰離子電池。
樹木的紋孔膜輸運調控機制和天然結構，也給研究人員提供了創(chuàng)新的思路。
2021 年，中國林科院木材工業(yè)研究所聯(lián)合多所大學的研究團隊，首次實現(xiàn)了木材次生細胞壁中聚集體薄層（lamella）的精準剝離，實現(xiàn)了鋰金屬電池性能的優(yōu)化。
所分離的聚集體薄層可作為固態(tài)電解質界面膜，解決鋰離子濃度調控難題，這突破了制約鋰金屬電池壽命的技術瓶頸，使電池壽命增加 75% 以上。
03 、木制電池離推廣有多遠？
相比于傳統(tǒng)電池原料，木制電池最大的優(yōu)勢是環(huán)保。
傳統(tǒng)的紐扣電池和普通干電池中含有汞，廢棄在自然環(huán)境中，汞就會慢慢滲入地下水，通過農作物進入人體，損害人的內臟。
一顆小小的紐扣電池被廢棄在大自然中，可以污染 60 萬升水，相當于一個人一生的用水量。充電電池也含有害重金屬鎘，在自然界中滲出，經(jīng)過土地和水流，最終傷害人體。
而木制電池的原料無需使用供應緊張的稀有金屬。含木質素的有機纖維是純綠色環(huán)保產品，無毒、無害，對自然環(huán)境來說，沒有污染性。
木質素來源廣泛，成本低廉。此前木質素的主要來源是制漿造紙工業(yè)產生的廢水，因此又被叫做造紙黑。
制漿造紙每年會從植物中分離出大約 1.4 億噸纖維素，同時得到 5000 萬噸左右的木質素副產品。但是得到有效利用的工業(yè)木質素不超過 10%。剩余被忽視的工業(yè)木質素，是一個巨大的待開發(fā)利用的“寶藏”。
據(jù)悉，自 2015 年以來，Stora Enso 工廠已開始工業(yè)化生產木質素，年產能為 50000 噸，Stora Enso 也是全球最大的牛皮紙木質素生產商。
而木制電池的工業(yè)化推廣也不會太遙遠。
2021 年，日本制紙與日本東北大學合作，利用從紙漿中提取的直徑 3 納米的“纖維素納米纖維（CNF）”制作蓄電體，加工為薄膜狀，以鋁箔夾住，形成電極。
日本制紙稱，計劃在 2023 年度制造出面向室內小型無人機的試制電池，爭取 2030 年用于智能手機和小型家電，還考慮用于純電動汽車。
隨著生產技術的進步，木制電池的性能優(yōu)化和提升，更加環(huán)保的木制電池取代鋰離子電池將成為可能。
本文來自微信公眾號：超電實驗室 （ID：SuperEV-Lab），作者：王雨
廣告聲明：文內含有的對外跳轉鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。