近日，登录入口先进储能团队贾传坤教授、丁美教授通过对道路材料中的废旧沥青进行高效分离、回收和资源化利用等研究，成功制备出一种具有相互联通的三维孔状结构和高比表面积的介孔碳材料（MPC）。以该材料做为锂离子电池负极材料，比容量比商业石墨提高了近200 mA h g-1，同时用于钠离子和钾离子的存储时，也表现出优异的电化学性能。日前，该项研究成果发表在国际知名能源期刊Journal of Power Sources上。此外，团队“一种基于废旧沥青的离子电池负极材料的制备方法” “一种液流电池用改性电极及其制备方法和液流电池” 等两项研究成果，在3个月内获得中国发明专利授权。
沥青作为石油蒸发的副产物，在道路材料中得到了广泛应用。截至2020年末，我国公路总里程519.81万公里，公路养护里程514.40万公里，占公路总里程98.96%，每年大中修养护产生的废旧沥青混合料近2亿吨。这些废旧沥青混合料不仅会造成极大的资源浪费、占用大量的土地资源，也会对环境产生严重污染。目前废旧沥青混合料的重复利用方法主要是将旧料与新料直接掺拌使用，但存在再生混合料的品质不高、旧料利用率低等技术难题。因此，亟需开发新的废旧沥青回收资源化方法。这一将废旧沥青变废为宝，作为储能电池负极材料的研究成果一旦实现产业化落地，不仅可以解决废旧沥青的环境污染问题，还可以实现“碳中和”铸就新的力量，具有重大的意义。
大力发展并高效利用太阳能、风能等新能源，是实现“碳达峰碳中和”的有效途径之一。但众所周知，太阳能、风能等新能源的利用，存在不稳定、不连续的问题，须为其配备适合的储能装置。电化学储能，因不受地域限制、响应快、使用方便等优点，成为发展迅速、产业化应用潜力大的热门技术之一。决定电化学储能电池性能的重要因素之一，就是电极材料。不过，大规模储能用液流电池电极材料，也存在电导率低、比表面积低及催化活性差等问题。研发价廉物美的新电极材料，对推动电化学储能商业化进程尤为关键。
为此，贾传坤教授团队着力于将废旧沥青混合料的再利用和价廉物美的电极材料两项研究进行“混搭”探索。经过近两年探索，团队在国际上首次实现以废旧沥青为碳源，制备出具三维孔状结构和高比表面积的介孔碳材料。研究结果表明，由废旧沥青得到的碳材料用作储能电池电极材料，能表现出较高的稳定性和电池性能。
成果简介：
图1.废旧沥青衍生的介孔碳的制备流程图
从废旧沥青的组成和结构来说，它是一种含碳量较高的烃类化合物，具有高度可调的形貌和结晶度。因此，废旧沥青是一种价格低廉、性能优异的碳前驱体，将废旧沥青应用到能源存储中具有良好的发展前景。图1展示了废旧沥青到电池电极材料的制备过程。首先，对道路材料中的废旧沥青进行高效分离提取，并作为电极材料的前驱体。加入氧化铁模板后高温下热解，并通过盐酸溶液洗涤，得到具有相互联通的三维孔状结构和高比表面积的介孔碳材料。为了与之形成对比，直接热解废旧沥青得到块状的碳材料（BPC）。
图2. MPC和BPC的（a）XRD图谱，（b）Raman图谱，（c）氮气吸附/脱附曲线，（d）孔径分布曲线图；MPC的（e）SEM图和（g）TEM图和BPC的（f）SEM图和（h）TEM图
图2a是MPC的XRD图谱，26°和43°位置的衍射峰证明了这是典型的碳材料，Raman图谱显示，该碳材料具有高的缺陷程度，另外通过氮气吸附/脱附测试可以计算出MPC的比表面积为495 m3 g-1，孔径大小主要集中在30 nm。SEM和TEM图可以看出MPC具有相互联通的三维孔状结构，而BPC则呈现密实的块状结构。
图3. MPC和BPC组装成的（a）锂离子电池在0.2A g-1电流密度下的循环曲线图，（b）钠离子电池分别在2A g-1和1A g-1电流密度下的循环曲线图，（c）钾离子电池在0.1A g-1电流密度下的循环曲线图，（d）锂离子全电池在0.1A g-1电流密度下的充放电曲线图
MPC用作锂离子电池负极材料时，0.2 A g-1电流密度下可提供674.2 mA h g−1的首次可逆比容量，经过80个循环后，比容量仍可保持564.8 mA h g−1；用作钠离子电池负极材料时，在2 A g-1电流密度下400个循环后比容量为146 mA h g-1；用作钾离子电池负极材料时，在0.1 A g-1电流密度下经过100个循环后比容量为174 mA h g-1；另外，组装成锂离子全电池时，可以提供310 Wh kg−1的能量密度。
采用一种简单的模板辅助方法，将废旧沥青转化成具有相互联通的三维孔状结构和高比表面积的介孔碳材料。该材料用于锂离子存储时，0.2 A g-1电流密度下可提供674.2 mA h g−1的首次可逆比容量，经过80个循环后，比容量仍可保持564.8 mA h g−1，同时，用于钠离子和钾离子存储时，也展现出优异的电化学性能。该研究成果不仅有效解决废旧沥青带来的环境污染问题，也为研发低成本高性能的锂、钠、钾离子电池负极材料提供新思路，具有一石二鸟的作用。
（文/谢明明 刘燕婷 审/刘亚辉）