近日，長沙理工大學(xué)先進(jìn)儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)賈傳坤教授、丁美教授通過對(duì)道路材料中的廢舊瀝青進(jìn)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(lián)通的三維孔狀結(jié)構(gòu)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(fù)極材料，比容量比商業(yè)石墨提高了近200 mA h g-1，同時(shí)用于鈉離子和鉀離子的存儲(chǔ)時(shí)，也表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。日前，該項(xiàng)研究成果發(fā)表在國際知名能源期刊Journal of Power Sources上。此外，團(tuán)隊(duì)“一種基于廢舊瀝青的離子電池負(fù)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(xiàng)研究成果，在3個(gè)月內(nèi)獲得中國發(fā)明專利授權(quán)。
瀝青作為石油蒸發(fā)的副產(chǎn)物，在道路材料中得到了廣泛應(yīng)用。截至2020年末，我國公路總里程519.81萬公里，公路養(yǎng)護(hù)里程514.40萬公里，占公路總里程98.96%，每年大中修養(yǎng)護(hù)產(chǎn)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(huì)造成極大的資源浪費(fèi)、占用大量的土地資源，也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。目前廢舊瀝青混合料的重復(fù)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(zhì)不高、舊料利用率低等技術(shù)難題。因此，亟需開發(fā)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(chǔ)能電池負(fù)極材料的研究成果一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地，不僅可以解決廢舊瀝青的環(huán)境污染問題，還可以實(shí)現(xiàn)“碳中和”鑄就新的力量，具有重大的意義。
大力發(fā)展并高效利用太陽能、風(fēng)能等新能源，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”的有效途徑之一。但眾所周知，太陽能、風(fēng)能等新能源的利用，存在不穩(wěn)定、不連續(xù)的問題，須為其配備適合的儲(chǔ)能裝置。電化學(xué)儲(chǔ)能，因不受地域限制、響應(yīng)快、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為發(fā)展迅速、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力大的熱門技術(shù)之一。決定電化學(xué)儲(chǔ)能電池性能的重要因素之一，就是電極材料。不過，大規(guī)模儲(chǔ)能用液流電池電極材料，也存在電導(dǎo)率低、比表面積低及催化活性差等問題。研發(fā)價(jià)廉物美的新電極材料，對(duì)推動(dòng)電化學(xué)儲(chǔ)能商業(yè)化進(jìn)程尤為關(guān)鍵。
為此，賈傳坤教授團(tuán)隊(duì)著力于將廢舊瀝青混合料的再利用和價(jià)廉物美的電極材料兩項(xiàng)研究進(jìn)行“混搭”探索。經(jīng)過近兩年探索，團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)以廢舊瀝青為碳源，制備出具三維孔狀結(jié)構(gòu)和高比表面積的介孔碳材料。研究結(jié)果表明，由廢舊瀝青得到的碳材料用作儲(chǔ)能電池電極材料，能表現(xiàn)出較高的穩(wěn)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(jié)構(gòu)來說，它是一種含碳量較高的烴類化合物，具有高度可調(diào)的形貌和結(jié)晶度。因此，廢舊瀝青是一種價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的碳前驅(qū)體，將廢舊瀝青應(yīng)用到能源存儲(chǔ)中具有良好的發(fā)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(duì)道路材料中的廢舊瀝青進(jìn)行高效分離提取，并作為電極材料的前驅(qū)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(lián)通的三維孔狀結(jié)構(gòu)和高比表面積的介孔碳材料。為了與之形成對(duì)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?dú)馕?/span>/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?dú)馕?span lang="EN-US">/脫附測(cè)試可以計(jì)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(lián)通的三維孔狀結(jié)構(gòu)，而BPC則呈現(xiàn)密實(shí)的塊狀結(jié)構(gòu)。
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(huán)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(huán)曲線圖，（c）鉀離子電池在0.1A g-1電流密度下的循環(huán)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(fù)極材料時(shí)，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(jīng)過80個(gè)循環(huán)后，比容量仍可保持564.8 mA h g?1；用作鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)，在2 A g-1電流密度下400個(gè)循環(huán)后比容量為146 mA h g-1；用作鉀離子電池負(fù)極材料時(shí)，在0.1 A g-1電流密度下經(jīng)過100個(gè)循環(huán)后比容量為174 mA h g-1；另外，組裝成鋰離子全電池時(shí)，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(zhuǎn)化成具有相互聯(lián)通的三維孔狀結(jié)構(gòu)和高比表面積的介孔碳材料。該材料用于鋰離子存儲(chǔ)時(shí)，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(jīng)過80個(gè)循環(huán)后，比容量仍可保持564.8 mA h g?1，同時(shí)，用于鈉離子和鉀離子存儲(chǔ)時(shí)，也展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。該研究成果不僅有效解決廢舊瀝青帶來的環(huán)境污染問題，也為研發(fā)低成本高性能的鋰、鈉、鉀離子電池負(fù)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）
