当前，各类电子产品日新月异，极大地丰富和满足了人们的生活、工作、娱乐需求，但是与之相应的是电池的待机时间短、成本过高等问题。近日，苏州大学物理与光电˙能源学部晏成林教授科研团队在高性能硅基锂电池与可穿戴能源器件研究方面取得系列重要进展，利用廉价冶金硅甚至废弃的豆渣制备出高性能新型电池，主要研究成果发表在《先进材料》等国际权威刊物上。
低价冶金硅制成高性能锂电池
随着便携式移动电子产品、电动汽车、可再生能源等领域的突飞猛进的发展，人们对更高能量、更长寿命、更高倍率、更高安全和更低价格的锂离子电池器件的需求越来越迫切。晏成林教授团队主要在改善锂电池性能方面开展研究工作，为能源高效储存转化提供新思路。
在实验室内，记者见到了正在进行测试的各类电池。这些外表看似普通的纽扣电池，其中的制备材料却是各不相同。仪器设备正在给这些实验电池不停地做着充、放电实验，检测不同制备材料电池的充放电周期和电化学容量变化情况。
据介绍，硅基材料是目前最具应用前景的锂离子电池负极材料之一，其容量是我们现在所使用电池的10多倍。但在实际应用方面仍存在着循环性能差、制造成本高的关键瓶颈问题。为了解决这个难题，课题组经过不断测试研究，利用廉价的冶金硅作为原料，成功制备了具备介孔结构的硅负极材料。
“用这种材料制成的高性能锂电池能达到560周的电化学循环，也就是能连续充放电560次，但每次充放电后仅下降万分之四，电池体现出了极佳的稳定性。”晏成林教授说，我们经常发现新手机充满电的待机时间相对长，但用过一段时间后充电时间的间隔会越来越短，这就是电池的电化学容量出现了比较大的衰减。如果这种新型锂电池将来得到运用，手机电池能有望从现在的一天一充变成五天或七天一充，为生活工作带来极大便利。
废弃豆渣变身柔性钠离子电池
在实验室里，晏成林还展示了另一款特别的电池，与其他电池外形不同的是，这种电池乍一看好像一片金属，只有1毫米左右的厚度，而且可以随意弯曲折叠。“这是我们最新研制成的钠离子电池，可以用在各类可穿戴设备上。”晏教授介绍说，像谷歌眼镜、苹果手表等这样的智能可穿戴设备正越来越受到欢迎，但要让可穿戴设备便于携带，供电的电池必须更小，续航时间必须更长，而且还必须更轻薄、更有弹性。
据介绍，这款新型钠离子电池的首次容量是我们现在商用电池的1.5倍左右，并且能够稳定循环2000圈以上，也就是说可以实现充放电2000次。相比近年来得到广泛应用的锂离子电池来说，钠离子电池具有工作温度低、安全性能好、稳定性好、设备简单、可移动性强等优点。最令人意想不到的是，这种新型钠离子电池的制备原材料竟然是废弃的豆渣!
晏成林教授说，制备钠离子电池的材料以石墨烯等碳材料为主，制备成本相对较高。为了解决制备成本的问题，课题组将目光瞄准了成本低廉的废弃豆渣。为了有充足的豆渣作为实验材料，一台家用豆浆机成为了实验室里的实验器材。
“黄豆的氮含量很高，我们尝试用它作为原材料制备钠离子电池。”课题组成员、钱涛老师和硕士研究生杨庭舟介绍说，废弃的豆渣经过强氧化剥离等技术，就可以制作成氮含量达到9.89%的片状碳材料，将碳材料涂布在金属片上，再用铝箔封闭处理，就制备成了这种柔性电池。
黄豆是我国的重要农作物，每年黄豆精制植物油产量都在增长，2014年中国精制食用植物油产量达6534万吨，废弃物豆渣的产量也随之增长。而国内每个城市成千上万的豆浆豆腐等豆制品作坊，每天也会产生大量的豆渣等废弃物，但目前豆渣二次利用后的利润却比较低。“如果能够利用废弃豆渣来制备含氮量高的碳材料，将能大大降低石墨烯等碳材料的制备成本，从而有利于钠离子电池的推广，也有着广阔的市场前景。”晏成林教授说。
