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浙大学者变“废”为宝:霉菌孢子碳也能存储能源

比容量较市场最好电池高出3至4倍,续航能力强

发布时间:2018-10-18来源:浙大新闻办 作者:柯溢能 卢绍庆浏览次数:1515

动力电池是电动汽车的心脏,直接决定其续航能力。而动力电池性能则主要取决于电极材料,这也是电池储能领域的研究重点与核心。“他山之石可以攻玉”,这在科研领域被不断验证,如浙江大学夏新辉研究员的生物质衍生碳储能研究工作。

一说起霉菌,人们首先会想到它无处不在的危害。如食物果蔬放久了会长霉,造成巨大的食物浪费。同时产生的霉菌孢子飘散在空气里也会对身体健康造成不利影响。可大家没有想到的是,浙江大学材料科学与工程学院夏新辉研究员团队将这两者联系在了一起,研究出首例基于曲霉菌孢子碳材料的高能量密度锂硫电池。这项成果近日在世界顶级材料期刊《先进材料》(Advanced Materials)上报道。论文第一作者为该学院博士研究生钟宇,通讯作者为夏新辉研究员。

这项研究成果给全球储能领域研究者提供了新思路,给出一种“化腐朽为能量”的变废为宝思路,将废弃果蔬发酵的霉菌孢子碳作为储能材料引入能源领域,获得高能量密度电池,为电动汽车的长续航能力提供新的拓展技术。

图说:使用煮熟的废弃大米培养米曲霉霉菌,然后将其改性和碳化,并作为高能量密度锂硫电池的载硫材料,未来可在便携式电子设备或者电动汽车上使用

 

霉菌孢子碳提供了导电的“好房子”

要满足国家对新一代电池的要求,科学界和实业界还有很长的路要走。仅在容量密度上,需要破解的难题就是如何在1升的“水桶”里装上2升的“水”。当然,这个问题因为硫元素而已经打开了解决的口子。

“锂硫电池是一种新型的高能量密度电池,是以硫作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池,其理论容量远超过目前商用的锂电池。”夏新辉介绍,这是因为在诸多的电池正极材料中,硫元素以容量密度高、能量足,而被广为看好为下一代电池材料。然而,单质硫存在的一个致命弊端,就是硫本身绝缘,且反应的中间产物会溶于电解液中穿梭损失。

长久以来,科学界就一直在为硫寻找一个宿主,也就是找到一处“好房子”来固定住硫元素。夏新辉团队的研究由此开始,“只有找到好的导电‘房子’,将硫安顿好后,才能让这一元素真正发挥储能作用。”

实验中,研究团队利用这种孢子碳特殊的结构,并结合一些特殊的纳米造孔技术,制备出了一种全新的霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料。科研人员首先将霉菌通过发酵培养,然后通过镍的造孔能力将其结构优化,再经过高温碳化后,产生霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料。这个过程就如同珊瑚留下珊瑚礁一般。之后就是与硫元素的融合,在155度的温度下,让硫熔融,以熔融态的方式与碳材料混合,携带的硫就进入了“房子”。

这间“房子”怎么样?

科研人员发现,这种霉菌孢子及其孢子碳材料具有非常特殊的多孔微纳结构,由一种弯曲迷宫状的次级结构构成,具有较高的比表面积。同时,霉菌孢子所衍生的碳材料,具有氮、磷元素的原位掺杂,对锂硫电池运行过程中产生的穿梭效应具有显著抑制作用并提高电池能量密度。

研究结果表明,这种全新的霉菌孢子碳/纳米磷化镍得益于其自身的高孔隙度、高导电性、大比表面积和多储硫位点,并且能够对中间产物进行物理/化学的双重吸附,因此其电池性能得到了极大的改善。

两个烂橙子引发的奇思妙想

评价电池质量的一个指标为正极材料的比容量,也就是说1克质量的活性物质可以储存/释放多少电量,用通俗的话讲,就是续航能力的长短。目前夏新辉团队研究的基于曲霉菌孢子碳及其应用于高能锂硫电池较市场上最好电池的比容量高出3倍,未来有望解决电瓶汽车在长途行驶中的续航能力。与此同时,这款电池还在成本、使用寿命等方面有许多优势。

那么夏新辉和钟宇团队是如何想到用霉菌来开展实验的呢?

秋天,除了菊黄蟹肥,也是橙子、桔子大量上市的季节。有天,夏新辉买了一箱橙子,但是吃到后来,下层的几个发霉了。一般家庭都会扔掉,但是他却想知道霉菌到底是什么样的物质在起作用。

“用到电池研究,纯粹是一次‘无心插柳’的实验。”夏新辉介绍,出于好奇他拿来两个烂橙子和钟宇一起研究。此后便一发不可收拾。浙大玉泉校区北门外有一个水果摊,店主会将烂水果送给夏新辉课题组,作为实验材料。

相关数据显示,我国每年因霉变造成的食材和货物损失高达2100万吨,其中保存期限较短的食物和果蔬(柑橘、番茄等)的损失更是数不胜数。夏新辉说。“若能将上述废弃粮食果蔬重新发酵利用,用于制备霉菌孢子碳材料可实现废物利用,可产生良好的经济效应。”

“目前锂硫电池仍在实验室阶段,研究的主要方向落在如何更加高效地利用导电性较差的单质硫和吸附易溶解的多硫化物中间产物上。”钟宇说。夏新辉告诉记者,科研就是求是创新和探索试错,同时需要脑洞大开的思维和不走寻常路的心态。边做边想,永无止境,纵使充满坎坷,任需不断革新求变。科研如逆水行舟,不进则退,积跬步才以至千里。

此项研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、钱江人才计划、浙大百人计划等项目资助。

(文 柯溢能/摄影 卢绍庆 部分图片由课题组提供)


论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.201805165