植物也能做電池?利用造紙廢料「木質素」製成隔膜 耐高溫300°C、壽命提升60%

負責任消費和生產

傳統鋰電池因對高溫敏感,安全上較有隱憂。 圖/shutterstock
傳統鋰電池因對高溫敏感,安全上較有隱憂。 圖/shutterstock

近年行動電源爆炸事故頻傳,凸顯鋰離子電池的隱憂。傳統鋰電池對高溫敏感、長期穩定性不足,進而影響了手機、筆電到電動車的安全性與壽命。

而木質素電池技術應運而生——研究人員將造紙的廢料「木質素」轉化為電池材料,不僅能提升安全性與使用壽命,還能大幅降低對稀有礦產的依賴。

電池的守門員:隔膜為何影響安全性?

在鋰離子電池運作的邏輯是,透過帶正電的陰極與帶負電的陽極電極協助電流流動,為了防止電氣短路,兩個電極中間需要放置由聚合物製成的「隔膜」。隔膜對電池非常重要,因為其結構、厚度和穩定性,會顯著影響電池的能量、循環壽命和安全性等。

行動電源爆炸的其中一個主因,可能來自用於絕緣的隔膜較劣質或過薄,在高溫下收縮,電池的陰極與陽極兩側因此接觸,導致意外短路,最終引發火災或爆炸。

鋰離子電池的結構。 圖/倡議家製圖
鋰離子電池的結構。 圖/倡議家製圖

天然材料的革命,安全、壽命表現更卓越

根據密西根州立大學(Michigan State University)最新發表的研究,團隊已成功研發出以「木質素(Lignin)」製成的電池隔膜。

「木質素」是植物細胞壁中的天然聚合物,也是造紙、紡織等工業過程中產生的副產品,過去多半直接丟棄、焚燒處理。

研究團隊將廢棄的木質素,轉化為只有25微米(micrometers)厚度的堅韌薄膜,比人類頭髮的1/4還細,並採用低成本的乾式加工法,製程中無須使用有毒溶劑,不僅無任何浪費或污染,還能大量生產。

主要作者、工程學院的助理教授Chengcheng Fang表示,「木質素,特別是木質素磺酸鹽,在自然界含量豐富,且不需要進一步處理即可在電池中應用。」

實驗結果也顯示,木質素隔膜的使用壽命,比傳統聚合物隔膜多60%,在300°C高溫下也不會收縮變形,還可提升電池內部的穩定性,延長電池循環充電與使用的次數。

木質素在空氣中會變黃,製作高級用紙時,就需要去除紙漿中的木質素,而低品質的報紙則會保留大部分的木質素,這也是報紙為什麼會隨時間發黃的原因。 圖/shutterstock
木質素在空氣中會變黃,製作高級用紙時,就需要去除紙漿中的木質素,而低品質的報紙則會保留大部分的木質素,這也是報紙為什麼會隨時間發黃的原因。 圖/shutterstock

告別石墨?木質素開啟電池的新時代

木質素電池的發展時機,正好因應全球電動車產業的迫切需求。隨著電動車市場在全球快速成長,礦產供應鏈也面臨重重挑戰,開採石墨、鋰和鈷不僅會造成環境破壞,還涉及地緣政治風險。相較之下,樹木在各地都能生長且可自然再生,是相對穩定的原料。

不僅如此,木質素在電池中的應用除了隔膜,還可用於電極、電解質。在北歐的一間再生材料公司Stora Enso看準木質素的潛力,推出名為Lignode®的木質素碳材料產品,可以替代傳統使用石墨製作的電池陽極,降低過去因開採原料對環境造成的衝擊。

有其他研究顯示,木質素製成的陽極,可能達到比傳統材料更快的充電速度,有望解決以往消費者想購買電動車,又顧慮充電時間過長的問題。

Stora Enso開發由木製素製成的Lignode®碳材料。 圖/Stora Enso官網截圖
Stora Enso開發由木製素製成的Lignode®碳材料。 圖/Stora Enso官網截圖

商業化考驗!木質素電池需克服的關鍵問題

木質素電池雖有巨大潛力,但也還有一些技術問題需要解決。一是,木質素的導電性不如石墨,電動車需要體積小、能量密度高的電池,科學家仍須改良其性能,才能實際運用在電動車上。

二是,木質素電池與既有石墨供應鏈的成本競爭力仍待驗證,需要時間與資源投入才能克服技術門檻。不過若持續推進,木質素電池或許很快就能進入民眾的日常生活,為住宅、車輛提供更永續的電力選擇。

參考資料:

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