近日，長沙理工大學先進儲能團隊賈傳坤教授、丁美教授通過對道路材料中的廢舊瀝青進行高效分離、回收和資源化利用等研究，成功制備出一種具有相互聯通的三維孔狀結構和高比表面積的介孔碳材料（MPC）。以該材料做為鋰離子電池負極材料，比容量比商業石墨提高了近200 mA h g-1，同時用于鈉離子和鉀離子的存儲時，也表現出優異的電化學性能。日前，該項研究成果發表在國際知名能源期刊Journal of Power Sources上。此外，團隊“一種基于廢舊瀝青的離子電池負極材料的制備方法” “一種液流電池用改性電極及其制備方法和液流電池” 等兩項研究成果，在3個月內獲得中國發明專利授權。
瀝青作為石油蒸發的副產物，在道路材料中得到了廣泛應用。截至2020年末，我國公路總里程519.81萬公里，公路養護里程514.40萬公里，占公路總里程98.96%，每年大中修養護產生的廢舊瀝青混合料近2億噸。這些廢舊瀝青混合料不僅會造成極大的資源浪費、占用大量的土地資源，也會對環境產生嚴重污染。目前廢舊瀝青混合料的重復利用方法主要是將舊料與新料直接摻拌使用，但存在再生混合料的品質不高、舊料利用率低等技術難題。因此，亟需開發新的廢舊瀝青回收資源化方法。這一將廢舊瀝青變廢為寶，作為儲能電池負極材料的研究成果一旦實現產業化落地，不僅可以解決廢舊瀝青的環境污染問題，還可以實現“碳中和”鑄就新的力量，具有重大的意義。
大力發展并高效利用太陽能、風能等新能源，是實現“碳達峰碳中和”的有效途徑之一。但眾所周知，太陽能、風能等新能源的利用，存在不穩定、不連續的問題，須為其配備適合的儲能裝置。電化學儲能，因不受地域限制、響應快、使用方便等優點，成為發展迅速、產業化應用潛力大的熱門技術之一。決定電化學儲能電池性能的重要因素之一，就是電極材料。不過，大規模儲能用液流電池電極材料，也存在電導率低、比表面積低及催化活性差等問題。研發價廉物美的新電極材料，對推動電化學儲能商業化進程尤為關鍵。
為此，賈傳坤教授團隊著力于將廢舊瀝青混合料的再利用和價廉物美的電極材料兩項研究進行“混搭”探索。經過近兩年探索，團隊在國際上首次實現以廢舊瀝青為碳源，制備出具三維孔狀結構和高比表面積的介孔碳材料。研究結果表明，由廢舊瀝青得到的碳材料用作儲能電池電極材料，能表現出較高的穩定性和電池性能。
成果簡介：
圖1.廢舊瀝青衍生的介孔碳的制備流程圖
從廢舊瀝青的組成和結構來說，它是一種含碳量較高的烴類化合物，具有高度可調的形貌和結晶度。因此，廢舊瀝青是一種價格低廉、性能優異的碳前驅體，將廢舊瀝青應用到能源存儲中具有良好的發展前景。圖1展示了廢舊瀝青到電池電極材料的制備過程。首先，對道路材料中的廢舊瀝青進行高效分離提取，并作為電極材料的前驅體。加入氧化鐵模板后高溫下熱解，并通過鹽酸溶液洗滌，得到具有相互聯通的三維孔狀結構和高比表面積的介孔碳材料。為了與之形成對比，直接熱解廢舊瀝青得到塊狀的碳材料（BPC）。
圖2. MPC和BPC的（a）XRD圖譜，（b）Raman圖譜，（c）氮氣吸附/脫附曲線，（d）孔徑分布曲線圖；MPC的（e）SEM圖和（g）TEM圖和BPC的（f）SEM圖和（h）TEM圖
圖2a是MPC的XRD圖譜，26°和43°位置的衍射峰證明了這是典型的碳材料，Raman圖譜顯示，該碳材料具有高的缺陷程度，另外通過氮氣吸附/脫附測試可以計算出MPC的比表面積為495 m3 g-1，孔徑大小主要集中在30 nm。SEM和TEM圖可以看出MPC具有相互聯通的三維孔狀結構，而BPC則呈現密實的塊狀結構。
圖3. MPC和BPC組裝成的（a）鋰離子電池在0.2A g-1電流密度下的循環曲線圖，（b）鈉離子電池分別在2A g-1和1A g-1電流密度下的循環曲線圖，（c）鉀離子電池在0.1A g-1電流密度下的循環曲線圖，（d）鋰離子全電池在0.1A g-1電流密度下的充放電曲線圖
MPC用作鋰離子電池負極材料時，0.2 A g-1電流密度下可提供674.2 mA h g?1的首次可逆比容量，經過80個循環后，比容量仍可保持564.8 mA h g?1；用作鈉離子電池負極材料時，在2 A g-1電流密度下400個循環后比容量為146 mA h g-1；用作鉀離子電池負極材料時，在0.1 A g-1電流密度下經過100個循環后比容量為174 mA h g-1；另外，組裝成鋰離子全電池時，可以提供310 Wh kg?1的能量密度。
采用一種簡單的模板輔助方法，將廢舊瀝青轉化成具有相互聯通的三維孔狀結構和高比表面積的介孔碳材料。該材料用于鋰離子存儲時，0.2 A g-1電流密度下可提供674.2 mA h g?1的首次可逆比容量，經過80個循環后，比容量仍可保持564.8 mA h g?1，同時，用于鈉離子和鉀離子存儲時，也展現出優異的電化學性能。該研究成果不僅有效解決廢舊瀝青帶來的環境污染問題，也為研發低成本高性能的鋰、鈉、鉀離子電池負極材料提供新思路，具有一石二鳥的作用。
（文/謝明明 劉燕婷 審/劉亞輝）