Advanced Sustainable Systems:环形视角理解仿木电池的制备、电化学性能和可持续性

自然界的材料具有卓越的多功能特性,这得益于它们数百万年的进化,其在结构、化学成分等方面都达到了最优值,通过仿生学开发具有天然物质特性的材料近年来成为了热门研究领域。木材作为最吸引人的生物材料之一,兼具优良的机械性能,适当的各向异性层级结构孔隙度,为营养及水分的运输和生物降解稳定性提供快速便捷的途径。因此,木材激发了科学家们在人造材料中模仿其特性以开发具有卓越电化学性能的电池的灵感。木材由纤维素、木质素和半纤维素组成。其中纤维素和木质素作为复合材料的基体广泛用于电池研究中。这种做法通常涉及自下而上的纳米纤维素或化学改性木质素,因此木材固有的独特结构就失去了。相反,自上而下则需要利用木材固有的层次化多通道结构,并将新功能融入到天然木材中。这种方法通常更有效,涉及的合成步骤更少,而且其大规模生产制造也是更可行的。

西班牙戴纳索集团Iñaki Gomez与巴斯克大学毕尔巴鄂高级工程技术学院Erlantz Lizundia合作总结了过去五年关于木材在各种储能系统中的应用进展,即利用木材作为层级结构的多孔可再生材料来开发不同的电池组件,包括阴极、阳极、电流收集器和离子交换膜等研究成果。

本综述写作结构示意图,以一个环形视角强调木材及其衍生材料在不同电池系统中的主要作用,以及它们在每个电池组件中的具体应用。 

综述首先介绍了木材的层级结构是如何经过加工应用于储能器件中的,并指出其为储能器件带来如何丰富的功能特性。之后作者总结了木材作为活性材料在储能领域的研究成果,包括碳阳极的插层物质和金属-空气电池的活性成分。然后作者列举了木材在离子电导和电子电导功能材料,如集电器、自支撑电极、离子交换膜等方面作为功能器件框架的研究成果。作者最后介绍了木材在作为模板材料和机械支撑材料在器件中的最新研究成果。在文章的结尾,作者综合木材在储能材料中的应用研究成果,从电化学性能、未来电池领域仿生研究趋势、关键原材料短缺与生物经济、环境可持续发展四个方面做出展望,也指出了仿生研究对于能源领域发展做出的重大贡献。

木材的层级结构示意图和微观形貌照片
木材衍生碳作为3D结构的集流器在不同电池技术中的应用

论文信息:

Biomimetic Wood-Inspired Batteries: Fabrication, Electrochemical Performance, and Sustainability within a Circular Perspective

Iñaki Gomez*, Erlantz Lizundia*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100236

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100236