近日，山东第一医科大学和日本九州工业大学研究人员于最新一期美国化学学会《ACS Omega》杂志上发表了一篇报告，报告称，他们采用“螃蟹壳”为原材料，制备成了具有广泛用途的多孔、碳填充材料，随后利用这种“蟹碳”制造了钠离子电池的阳极材料。
这种阳极材料在放入模型电池中进行测试时，研究团队发现其具有很高的容量，可以持续至少200次充放电循环。此项研究也将为升级循环其他废料提供一个途径，有助于研发更具有可持续性的电池技术。
图片源自RODNAE Productions
作为锂离子电池的有力竞争者，虽然钠离子在化学性质上与锂类似，不过钠离子更大，因此与锂离子电池的阳极并不兼容。但硬碳与金属半导体材料相结合时，该材料就可以成为一种电池阳极。因此，研究人员想要探索两种不同的过渡金属二卤属化合物（TMD）——硫化锡（SnS2）与硫化铁（FeS2），如何与用螃蟹壳制成的硬碳结合，才能制成可用的钠离子电池阳极。
为了制造“蟹碳”，研究人员先将螃蟹壳加热至1000华氏度以上，然后将这种碳加入到硫化锡或硫化铁溶液中，再将其进行干燥处理制成阳极。“蟹碳”的多孔、纤维结构可以为阳极提供一个很大的表面积，可提升材料的导电性以及有效传输离子的能力。
“蟹壳”锌电池
此前早在2022年9月，美国马里兰大学科学家便在《物质》杂志中发表了一篇论文，研究人员采用蟹壳中的几丁质制造了一种可生物降解的锌离子电池，这个发现不仅可以让锌金属电池实现高倍率和耐用性，也表明天然生物聚合物在可持续和绿色能源存储应用中的潜力。
该论文的主要作者、马里兰大学材料创新中心主任胡良兵说，在这项研究中，他们使用壳聚糖作为凝胶电解质。壳聚糖是几丁质的衍生产品，其来源于甲壳素，这也是自然界中含量最丰富的聚合物。它存在于甲壳类动物的外壳中，包括螃蟹、虾、龙虾、昆虫外骨骼和真菌细胞壁。
研究人员将甲壳素进行化学处理，并添加醋酸水溶液，最终合成电池的电解质。电池通过电解质使离子在带正电和带负电的端子之间来回穿梭。许多电池使用易燃或腐蚀性化学品，而新开发的电池使用一种称为壳聚糖的生物材料来制成凝胶电解质，且在1000次电池回圈后的能源效率为99.7%，完全可以用来储存风能和太阳能的电力。
基于壳聚糖生物材料的可持续锌金属电池示意图
每年，食品行业会产生 600-800万吨蟹、虾和龙虾壳废料，却通常被倾倒在垃圾填埋场或海洋中，这种处理方式成本每吨可能超过100美元，且对环境不利。因此，从生产“蟹碳”作为钠离子电池阳极材料和利用几丁质制作可生物降解电池两种角度来看，将这些昂贵的、需要扔掉的外壳都重新利用进而有用的材料，对于环境保护十分重要。
这两种高倍率、高容量性能，以及高安全性、可生物降解性、低成本的应用方式，也将使得蟹壳有望用于大规模的电池应用中。
参考来源：财联社、环球零碳、新能源创新材料
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