废烟头、薰衣草都成了储能材料？科学家们脑洞大开

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环球零碳

碳中和领域的《新青年》

Getty Image & Plantura Magazine

撰文：Bell

编辑：小澜

→这是《环球零碳》的1870篇原创

随着全球对可再生能源存储需求的日益迫切，为了寻求高性能储能材料，科学家们将目光投向了“垃圾”和“生物废料”。

无论是污染环境的废弃烟头，还是安神助眠的薰衣草，都在科学家的实验室里，成为了可能改变未来能源格局的关键材料。

先来看看那个让人头疼的环境污染源——烟头，全球每年丢弃量高达约800万吨，亟需对其进行绿色高效的利用改造。

烟头主要由纤维素和醋酸纤维素构成，极难降解，还会向土壤中释放重金属，是典型的顽固垃圾。

而来自中国河南大学的一支研究团队却从中看到了“宝藏”。他们发现，烟蒂中的纤维素结构恰恰是制备多孔碳材料的理想前驱体，可应用于高性能储能系统。

生物炭基多孔材料通常具有高比表面积、高石墨化程度以及良好的电化学稳定性，是制备双电层电容器（EDLC）电极材料的理想选择。

来源：10.48130/een-0025-0016

团队通过一种称为“水热碳化-热解活化”的工艺，将烟蒂这种有毒垃圾转化为氮氧共掺杂的多级纳米多孔生物炭（简称CNPB）。

研究团队先对烟蒂进行了预处理，去除残留烟灰和杂质。然后将所得烟蒂粉碎成蓬松状，在60℃下干燥2小时，并在使用前储存于快速玻璃干燥器中。

然后，这些烟蒂被置于水热反应釜中，在高温高压水热条件下“煮”成碳球，再将反应混合物过滤用乙醇和去离子水彻底洗涤固体残渣。

最后，研究人员加入了化学蚀刻剂，并将这些废料于管式炉中加热到700℃，使致密的碳球像爆米花一样爆开，形成微观上类似蜂巢的三维多孔结构。

这种材料具有惊人的比表面积——每克超过2000平方米（2133.5 m² g⁻¹），巨大的表面积允许离子可以以闪电般的速度快速进出。

来源：10.48130/een-0025-0016

同时，掺杂的氮和氧原子还能有效提升材料的导电性，使该材料能够实现高比电容。

最终得到的材料CNPB-700-4，在超级电容器中展现出卓越的性能：在1安培每克的电流密度下，比电容高达344.91法拉每克。

而且，在经过一万次充放电循环后，该系统仍然保持了95%以上的原始容量，寿命远超普通智能手机电池。

由这种材料组装的对称超级电容器，能量密度和功率密度也达到了实用化水平，其功能特性非常适合高速任务，例如稳定电网、提高电动汽车制动性能以及为便携式设备供电。

这项研究不仅为解决烟蒂污染提供了新思路，同时还实现了“环境修复”与“高价值材料创造”的双赢。

来源：Getty Image

如果说改造烟头是有害垃圾“变废为宝”，那么将薰衣草花梗转化为负极材料就是生物废料的“焕发新生”。

薰衣草因其芳香而广受喜爱，但其农业残余物——每年约1000至1500吨的花梗与废料——却常被忽视。

如今，一个由韩国科学技术大学、伊诺努大学等高校研究员组成的国际科研团队成功地将这些薰衣草花废料转化为硬碳材料，并用作钠离子电池的负极。

来源：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.239365

钠离子电池被视为锂离子电池的一种重要补充，其原料钠储量丰富、成本低廉，适合大规模储能。但如何获得高性能、低成本的电极材料是关键。

硬碳（HC）是钠离子电池中最常用的负极材料，其特点是具有无序的碳结构。近年来，科学家们致力于开发新的HC生物来源，如稻壳、玉米秸秆、麦秸和椰子壳等。

这些木质纤维素废料不仅为获取经济实惠的材料提供了机会，还有助于解决农业废弃物管理问题，同时减少碳化过程中的二氧化碳排放。

这一次，研究团队创新性地选择了从土耳其当地市场采购的薰衣草花。

研究人员将薰衣草花废料在高温下碳化，成功制备出具有多孔表面结构的硬碳负极。这种结构保留了植物天然的微观组织特征，有利于电解液的渗透和钠离子的快速扩散。

同时，他们开发了一种与之匹配的正极材料——P2型层状氧化物Na₀.₆₇Mn₀.₉Ni₀.₁O₂，其中掺入的镍有效提升了材料的导电性和结构稳定性。

不过，使用这类生物质碳材料面临一个普遍挑战：初始的“钠储备”不足，会导致电池容量迅速衰减。

为此，科学家们像给电池“预充电”一样，系统比较了三种“预钠化”策略：直接接触法、化学法和电化学法。

结果发现，电化学预钠化方法虽然操作上更复杂一些，却能带来最优异的循环稳定性和能量密度。

在实验中，采用该方法的全电池在100次循环后仍能保持62%的容量，远优于其他方法。

这项研究证明了，利用广泛可得、可持续的植物废料，完全可以构建出有竞争力的钠离子电池体系，为全球能源转型提供了兼具环保与经济效益的电极材料解决方案。

来源：Plantura Magazine

其实，无论是烟蒂还是薰衣草，本质上都是含碳物质，且微观结构适用于制造高性能电极材料。

科学家们的“脑洞”并非天马行空，而是基于对材料微观结构的深刻理解，

这两项研究的共同精髓在于“升级再造”——将低价值甚至有害的废弃物，通过精准的化学与工程控制，转化为具备高附加值的先进功能材料。

未来，或许会有更多意想不到的材料将被送进实验室，变身为支撑智能电网、驱动电动汽车、甚至点亮千家万户的绿色能源载体。

Reference：

[1]https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/een-0025-0016

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775326001151#undfig1

[3]https://interestingengineering.com/energy/cigarette-butts-recycle-energy-storage

[4]https://interestingengineering.com/energy/lavender-powered-sodium-batteries

[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/1114544

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