向可再生风能和太阳能的过渡面临着一个关键的障碍，即缺乏负担得起的大规模储能选择。如果没有具有成本效益的电网级电池，波动和间歇性问题使得广泛采用可持续发电变得不切实际。在大幅降低太阳能电池板和风力涡轮机等组件的生产成本方面取得了长足的进步之后，存储技术已成为最后一个需要清除的障碍。
尽管领先的电池公司进行了大量的研发，但流行的锂离子化学品仍难以实现该应用所需的低价格、安全性、稳定性和高循环寿命的组合。钠离子电池的新兴潜力重新激发了人们的努力，但它们的成功取决于开发合适的电极，而没有过多的稀有或有毒材料。
在发布在Advanced Functional Materials上的一篇论文中，由哈佛大学Xingcai Zhang博士领导的团队详细介绍了他们使用从废茶叶中提取的创新材料开发的高性能钠离子电池阳极。基于最近的进展，使钠离子电池成为流行锂离子技术的可行且低成本的替代品，研究人员的生物质来源阳极展示了可以实现下一代负担得起的可持续电网级储能的品质。
以前对钠离子电池的尝试已经实现了低成本，但在充电容量、寿命和充电速率等性能方面遭受了太大的损失，无法取代锂离子的主导地位。这很大程度上源于基本的化学挑战，因为钠离子的较大尺寸限制了电池组件内的快速运动。张博士茶叶阳极的核心进步在于它平衡了这些固有的局限性。
通过简单的一步热解过程，研究人员将生茶叶茎转化为针对钠离子储存优化的“硬碳”材料。与现有的碳基阳极相比，该团队的废茶衍生硬碳，称为TS-1400-HCl，在各方面都提供了显着改进的指标。它在第一个充电/放电循环中提供 70% 的初始容量、91% 的效率提高，并在 500 次循环中延长 7-9 倍的使用寿命。至关重要的是，TS-1400-HCl 仅使用成本低廉的基础组件，即可通过可扩展的工业制程实现这一突破性的性能。
研究人员将TS-1400-HCl的能力归因于前体茶叶茎和战略性酸处理所实现的结构增强。其天然多孔的生物质结构有助于电解质渗透，同时保留足够的缺陷和空隙以吸附钠离子。酸洗可去除导致原料容量损失的杂质。这种双管齐下的方法导致了优化的碳阳极，在类石墨层之间赋予了更大的间距，在微孔和介孔中具有丰富的吸附位点，并且在重复充电时具有出色的结构稳健性。
通过光谱分析，张博士的团队证实了TS-1400-HCl的钠离子储存是通过表面吸附过程填充孔隙和缺陷，然后在块状电极更深处的石墨片之间嵌入的。这种双重机制利用量身定制的生物质硬碳质地的优势，充分利用了材料，以确保高容量和电气效率。
全钠离子纽扣电池的实际可行性测试进一步巩固了TS-1400-HCl作为量产电极的候选资格。甚至没有预处理阳极以使其稳定，张博士的茶叶全细胞与Na3V2(PO4)3阴极仍然实现了超过 1000 次循环的超长寿命和能量密度，与商用锂离子电池相媲美。这种无需专门预处理即可准备就绪的演示突显了 TS-1400-HCl 的可行性和成本效益。
研究人员估计，用于生产硬碳阳极的廉价酸处理和退火将使规模化的价格约为每公斤5-7美元。结合丰富的原料茶叶资源，张博士的团队认为，他们的生物质方法作为一种主流的、负担得起的电池材料，在真正的可持续性和积极的环境影响方面具有巨大的潜力。
随着对互补正极材料的持续研究，重点是性能最大化而不是降低成本，集成 TS-1400-HCl 等电极的钠离子电池可能很快开启大规模清洁能源存储和分配系统的大规模采用。通过将废物转化为瓦特，廉价、耐用且对地球友好的电网电池的出现更近了一步。
