木頭，這個(gè)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N(yùn)orthvolt近日宣布，與芬蘭林業(yè)公司Stora Enso簽訂了一項(xiàng)聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，將使用木質(zhì)素基硬碳制造電池，這些木質(zhì)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(chǎn)品。
Northvolt這件電池制造商，是由大眾集團(tuán)、西門子等巨頭，在2016年創(chuàng)辦的一家新能源公司。成立時(shí)間雖然不長(zhǎng)，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(guó)北部荷爾斯泰因州新建一座超級(jí)電池工廠，成為在瑞典以外的第一家工廠，兩個(gè)月后，Northvolt開始出貨，成為第一家向汽車制造商提供動(dòng)力電池的歐洲企業(yè)。
這顯然是和寧德時(shí)代、松下以及LG新能源搶飯碗的。據(jù)悉，Northvolt計(jì)劃在兩年內(nèi)上市，目前公司估值已達(dá)到120億美元。Northvolt的目標(biāo)是到2030年，在歐洲占據(jù)25％的市場(chǎng)份額，在歐洲部署的年產(chǎn)能達(dá)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(chǎn)品公司，主要產(chǎn)品有林產(chǎn)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(guān)注。
01
怎么用木材造電池？
新能源車苦高價(jià)原材料久矣。
目前電動(dòng)汽車市場(chǎng)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(chǎn)的開采和生產(chǎn)周期長(zhǎng)。疊加國(guó)際因素，電池原材料的價(jià)格居高不下。
這也導(dǎo)致電池供應(yīng)鏈緊張，新車價(jià)格不斷上漲，就像零跑T03、smart精靈 1剛宣布的漲價(jià)，均是由于原材料價(jià)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(gè)可再生能源成為最佳選擇，木材生產(chǎn)電池主要是源于木質(zhì)素。
木質(zhì)素是一類復(fù)雜的有機(jī)聚合物，廣泛存在于木質(zhì)化植物的細(xì)胞中，它主要位于細(xì)胞與細(xì)胞之間的空隙，即胞間層，這也是細(xì)胞壁濃度最高的部位。
木質(zhì)素在細(xì)胞壁的形成中特別重要，木質(zhì)素的沉積——木質(zhì)化后，可以增加導(dǎo)管的厚度、提高導(dǎo)管的硬度和韌度、維持導(dǎo)管中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)的運(yùn)輸順暢。
此外，木質(zhì)素還可以增強(qiáng)細(xì)胞的機(jī)械支持力或者抗壓強(qiáng)度，促進(jìn)機(jī)械組織的形成。木質(zhì)素還能增強(qiáng)細(xì)胞的粘連性，是一種天然的強(qiáng)力粘合劑。
木質(zhì)素
木質(zhì)素還存在于造紙工業(yè)副產(chǎn)品中，在此之前，作為廢棄材料，95％的木質(zhì)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(xiàng)研究表明，木質(zhì)素可以應(yīng)用于電池的制備。
波蘭和瑞典的科學(xué)家最早注意到將植物體內(nèi)的木質(zhì)素氧化，將其與一種叫做多吡咯的物質(zhì)結(jié)合，制造出多層聚合物電極。這種電極的電荷密度可以相當(dāng)或者優(yōu)于當(dāng)前鋰離子電池的水平，可達(dá)70-90mAh/g。
由于木質(zhì)素是造紙工業(yè)的副產(chǎn)品，所以木質(zhì)素成本便宜、來源廣泛。通過簡(jiǎn)單溫和的化學(xué)活化制備的多孔木質(zhì)素基碳，已成為環(huán)境凈化、電催化和儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尤其是可以作為鋰離子電池的負(fù)極材料。
02
木材還能為電池提供什么？
其實(shí)近十年來，已有不少學(xué)者將木質(zhì)素應(yīng)用于電池制備相關(guān)的研究。
比如采用可再生資源和造紙工業(yè)廢物木質(zhì)素磺酸鈉——木質(zhì)素通過磺化改性轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素磺酸鹽——作為摻雜劑和模板，最后通過化學(xué)氧化法制得具有層狀結(jié)構(gòu)的聚吡咯/石墨烯層狀納米復(fù)合材料，這些復(fù)合材料可以組裝成超級(jí)電容器。
木材中的纖維素納米纖維也是制作固體電解質(zhì)的優(yōu)質(zhì)原料。
目前常用的鋰電池使用的電解質(zhì)，因含有揮發(fā)性液體，有起火的風(fēng)險(xiǎn)，并且可能會(huì)促進(jìn)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(zhì)，但是陶瓷材料的脆性，并不能很好地承受電池充放電時(shí)的壓力。
去年，美國(guó)布朗大學(xué)和馬里蘭大學(xué)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(jié)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(jié)合形成的固體離子導(dǎo)體，導(dǎo)電性是其他聚合物離子導(dǎo)體的10-100倍。
科研人員表示，這種材料具有電化學(xué)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(zhì)素還可以制備炭材料。
炭材料具有良好的導(dǎo)電性，能夠作為電極活性材料應(yīng)用于燃料電池等電化學(xué)領(lǐng)域，在能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
工業(yè)木質(zhì)素成本低廉、來源豐富，還有一個(gè)含碳量高，是制備炭材料的優(yōu)質(zhì)原料。2021年，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員，就從工業(yè)廢棄副產(chǎn)品木質(zhì)素中制備碳，使鈉離子電池取代鋰離子電池。
制紙工廠
樹木的紋孔膜輸運(yùn)調(diào)控機(jī)制和天然結(jié)構(gòu)，也給研究人員提供了創(chuàng)新的思路。
2021年，中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所聯(lián)合多所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，首次實(shí)現(xiàn)了木材次生細(xì)胞壁中聚集體薄層（lamella）的精準(zhǔn)剝離，實(shí)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(zhì)界面膜，解決鋰離子濃度調(diào)控難題，這突破了制約鋰金屬電池壽命的技術(shù)瓶頸，使電池壽命增加75％以上。
03
木制電池離推廣有多遠(yuǎn)？
相比于傳統(tǒng)電池原料，木制電池最大的優(yōu)勢(shì)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(huì)慢慢滲入地下水，通過農(nóng)作物進(jìn)入人體，損害人的內(nèi)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(dāng)于一個(gè)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(yīng)緊張的稀有金屬。含木質(zhì)素的有機(jī)纖維是純綠色環(huán)保產(chǎn)品，無毒、無害，對(duì)自然環(huán)境來說，沒有污染性。
木質(zhì)素來源廣泛，成本低廉。此前木質(zhì)素的主要來源是制漿造紙工業(yè)產(chǎn)生的廢水，因此又被叫做造紙黑。
制漿造紙每年會(huì)從植物中分離出大約1.4億噸纖維素，同時(shí)得到5000萬噸左右的木質(zhì)素副產(chǎn)品。但是得到有效利用的工業(yè)木質(zhì)素不超過10％。剩余被忽視的工業(yè)木質(zhì)素，是一個(gè)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(chǎn)木質(zhì)素，年產(chǎn)能為50000 噸，Stora Enso也是全球最大的牛皮紙木質(zhì)素生產(chǎn)商。
而木制電池的工業(yè)化推廣也不會(huì)太遙遠(yuǎn)。
2021年，日本制紙與日本東北大學(xué)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(jì)劃在2023年度制造出面向室內(nèi)小型無人機(jī)的試制電池，爭(zhēng)取2030年用于智能手機(jī)和小型家電，還考慮用于純電動(dòng)汽車。
隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)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。