改善电池性能：科学家用废弃蛋壳做电极材料

（a）实验用蛋壳作为反应装置（b）反应系统说明

材料牛注：底特律Wayne State University的研究人员发现，废弃的蛋壳用于制作电池的电极，可以有效提高电池的性能。

美国人每年消耗约760亿个鸡蛋,虽然有一些蛋壳用于肥料或膳食补充剂，但大多数蛋壳都会被扔掉。Wayne State University的研究人员新研究发现，可以回收蛋壳用作“化学反应堆”去合成含硫纳米棒制作成电池电极。

“每天有大量的鸡蛋被消耗,但处置蛋壳垃圾仍然是一个挑战性的任务,”研究团队负责人 Da Deng解释说。“我们大致思想是直接使用废弃的蛋壳作为一个独特的反应系统，在蛋壳膜的蛋白纤维上合成一维纳米棒阵列。我们准备了在碳纤维上的复合晶体Co9S8纳米棒阵列,以证明制作锂和钠电池性能的良好前景。”

蛋壳有两个主要组成部分：坚硬的外壳，主要成分是碳酸钙；薄膜位于在外壳的内部。细胞膜是由含有硫和碳的蛋白纤维组成。(臭鸡蛋的难闻的气味是由于当蛋白质分解时有硫化氢释放。)

为了既有的用途回收蛋壳，如作为化肥和膳食补充剂，这两部分必须用昂贵的分离设备去分离。而将这些蛋壳作为多功能反应堆回收的优势之一是这两部分不用分开操作。

部分弯曲的坚硬外壳，首先被放置在一个大容器中且接触两种不同的溶液：外部用NaOH，内部用CoSO4。如果这两个溶液迅速接触到对方,他们会反应形成Co(OH)₂的晶体微粒。由于壳是半透的，它允许一些OH^-从外部缓慢扩散到内部。约四天后，OH^-将内部的pH值从4.8提高到7，减少酸性。这为Co(OH)₂形成非晶态提供了条件。

非晶态Co(OH)₂ 形成的优势是在蛋壳膜内形成涂层。涂布膜从溶液中取出并加热约两小时取出，这导致碳化和硫化。蛋白质纤维碳化,意味着他们会变成碳纤维同时释放硫。S与Co(OH)₂反应生成硫化钴纳米棒(Co₉S₈)。硫化钴是一种常用的电池电极材料。

最后的成品-涂有硫化钴纳米棒的碳纤维能很容易的变成泥浆作为电池电极。研究人员发现，最初的电池原型表现出良好的性能,包括在低电流运行超过300周期时仍稳定，虽然在较高电流时容量会减少。这种锂离子电池的循环率优于用硫化钴薄膜作为电极。研究者认为这会改善硫化钴纳米棒的结构。他们解释到：纳米棒牢牢地附着于碳纳米纤维,碳纤维提高与电极和电解液的接触来提高电流。

这种方法需要蛋壳保持完整,研究人员认为，这一要求可能在商业形式准备的鸡蛋中得到满足。“食品制造商使用大量的鸡蛋，”Deng说。“他们可以提供所需的蛋壳。我们的技术要求使用蛋壳作为容器，而不是打碎了的蛋壳。

未来硫化钴除了用作电池的电极材料还有许多其他用途，如超级电容器、太阳能电池和催化作用。通常制备纳米钴硫化需要高压、有毒、昂贵的材料,以及复杂的方法。随着进一步的改进，用蛋壳反应的方法有助于缓解这些问题。此外，用蛋壳作为未来反应堆可能促进用于其他用途的纳米材料的合成。

“我们计划探索蛋壳反应器系统的直接使用去合成许多其他功能材料，它可以找到超越电池的应用程序。”Deng说。

论文地址：Trash to Treasure: Waste Eggshells Used as Reactor and Template for Synthesis of Co₉S₈ Nanorod Arrays on Carbon Fibers for Energy Storage

原文链接：Scientists make battery electrodes from waste eggshells

本文素材由材料人王宇提供。