大自然并不总是慷慨地提供它的秘密。这就是为什么一些研究人员寻找不同寻常的地方来解决我们面临的最艰难的挑战，从藏在小蠕虫肠道里的强力抗生素，到受蝙蝠启发的快速机器人。
现在，东北大学的研究人员已经开始研究如何从丰富的自然资源中，特别是在构成木材的微纤维的化学结构中，制造新的可持续材料。
东北大学机械与工业工程助理教授朱洪丽(Julie Zhu)领导的一个团队，正在利用从纤维素中提取的独特纳米材料，改进储存太阳能和风能等可再生能源所需的大型昂贵电池。
纤维素是地球上最丰富的天然聚合物，也是植物最重要的结构成分。它含有重要的分子结构，可以改善电池，减少塑料污染，为电网供电，而电网可以支持整个社区使用可再生能源，朱说。
“我们尝试用木材、树皮、种子、花朵、细菌、绿茶等植物的聚合物来代替塑料，”朱说。
储存太阳能、风能和其他可再生能源的主要挑战之一是，天气等因素的变化会导致不一致的电力来源。
这就是大容量电池的用武之地。但是储存阳光和风能提供的大量能量需要一种特殊的设备。
最先进的电池被称为流动电池，它是用溶解在酸中的钒离子在两个不同的罐中制成的，一个罐中有带负电荷的离子，另一个罐中有带正电荷的离子。这两种溶液被连续地从容器中泵入电池，电池就像电池的发动机一样工作。
这些物质总是被一种特殊的膜隔开，以确保它们交换带正电的氢离子而不互相流动。这种离子的选择性交换是电池充放电能力的基础。
流电池是储存太阳能和风能的理想设备，因为它们可以在不影响可产生的能量的前提下增加储存的能量。油箱越大，电池就能从无污染的、实际上取之不尽的资源中储存更多的能量。
但是制造它们需要几个移动的硬件。随着分离两种流动物质的膜的衰变，可以使溶液中的钒离子混合。这种转换降低了电池的稳定性，同时也降低了它储存能量的能力。
朱说，这种膜的效率有限，加上成本高昂，是阻碍流电池在大规模电网中广泛应用的主要因素。
在最近的一篇论文中，朱报告了一种由纤维素纳米晶体制成的新型膜，与市场上普遍使用的其他膜相比，具有更高的效率。该团队测试了由纤维素纳米晶体制成的不同薄膜，以降低流动电池的成本。
“我们的膜每平方米的成本是147.68美元，”朱说，并补充说她的计算不包括与营销相关的成本。商业化的Nafion膜的报价是每平方米1321美元。
他们的测试还表明，这种由罗杰斯公司及其位于东北科斯塔斯研究所的创新中心提供支持的膜，可以提供比其他膜更长的电池寿命。
朱的天然衍生膜特别有效，因为它的细胞结构包含数千个羟基，其中包括氢氧键，使水很容易在植物和树木中运输。
在流电池中，当质子流经膜时，这种分子构成加速了质子的传输。
这种膜还含有另一种聚合物，称为聚偏氟乙烯-六氟丙烯，它可以防止带负电荷和带正电荷的酸相互混合。
“对于这些材料来说，挑战之一是很难找到一种既能传导质子又能在流动的酸中非常稳定的材料，”朱说。
因为这些材料几乎无处不在，用它制成的薄膜可以很容易地在复杂的电网所需的大范围内组装起来。
不像其他昂贵的人工材料需要在实验室里调制，纤维素可以从天然来源提取，包括藻类、固体废物和细菌。
“自然界中很多物质都是复合的，如果我们分解它的成分，我们就可以用它来提取纤维素，”朱说。“比如我们院子里的废物，还有很多我们不知道怎么处理的固体废物。”
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