近日，在揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室中，該校侯建華博士團(tuán)隊(duì)利用爆米花制成“超級(jí)電池”，3分鐘內(nèi)能充滿電，有望克服電動(dòng)車輛行駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)的發(fā)展瓶頸。而這項(xiàng)發(fā)明靈感，則是來(lái)源于他女兒吃爆米花時(shí)的提問。
隨著可再生清潔能源的發(fā)展，與之匹配的能源存儲(chǔ)器件研究也越來(lái)越受到關(guān)注。侯建華說(shuō)，超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能設(shè)備，因其超高的功率密度、穩(wěn)定性和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，已逐漸走進(jìn)人們的生活。
碳材料因其較低的成本和理想的電化學(xué)性能，成為超級(jí)電容器電極材料的首選。傳統(tǒng)碳材料如多孔碳、活性炭等容量有限，很大程度上限制了電化學(xué)儲(chǔ)能器件在實(shí)際生活中的應(yīng)用，也阻礙了超級(jí)電容器作為主要?jiǎng)恿δ茉吹倪M(jìn)程。因此，對(duì)碳材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分進(jìn)行調(diào)控，以提高碳材料的電化學(xué)性能是十分必要的。
據(jù)了解，目前已有的調(diào)控方法，如硬模板法、物理活化法等，大多只能單一調(diào)控多孔碳的某個(gè)特征，且操作通常較為復(fù)雜、成本較高。致力于開發(fā)一種簡(jiǎn)單、綠色、可規(guī)?；姆椒?，對(duì)多孔碳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，以獲得高能量密度和功率密度的超級(jí)電容器，成為侯建華的鉆研方向。
“為什么爆米花會(huì)如此的香脆?”一次女兒吃爆米花時(shí)的提問，給了侯建華靈感。他聯(lián)想從玉米到爆米花微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。“爆米花具有多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，能不能把爆米花作為超級(jí)電容器的材料，來(lái)儲(chǔ)存能源呢?”
如今，侯建華及其團(tuán)隊(duì)制備出爆米花基多孔碳片，具有“超高”比表面積的蜂窩狀納米片結(jié)構(gòu)，獲得在生物質(zhì)碳材料中具有最高能量密度的超級(jí)電容器器件。
爆米花如何儲(chǔ)存能量?
侯建華介紹說(shuō)，將玉米用微波輻射2分鐘轉(zhuǎn)化為蓬松的爆米花，爆米花的體積比玉米顆粒擴(kuò)大超過(guò)25倍，這一爆炸過(guò)程形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步微波碳化后便能獲得衍生多孔碳納米片。“爆米花蜂窩狀結(jié)構(gòu)擁有超高比表面積和完美的孔徑，一小塊材料便能將大量電量存儲(chǔ)到其納米片狀多孔的內(nèi)部，極大地提高超級(jí)電池的存儲(chǔ)能力。”侯建華表示。
據(jù)了解，爆米花基電池的能量密度是已報(bào)道的生物質(zhì)衍生碳材料中最高值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用爆米花制成的超級(jí)電池3分鐘內(nèi)能充滿電，經(jīng)一萬(wàn)次充放電后容量仍然大于95%，極有望克服電動(dòng)車輛行駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)的發(fā)展瓶頸，滿足電動(dòng)車輛主要?jiǎng)恿δ茉吹钠惹行枨蟆?/div>
除了爆米花，侯建華博士還通過(guò)其他的“綠色材料”進(jìn)行超級(jí)電容器的制作，如燈籠、豆腐、大米、油條等，特別是再結(jié)合利用農(nóng)作物秸稈的本征空隙結(jié)構(gòu)。據(jù)介紹，這些材料和爆米花都有著相同的原理，比如燈籠，不打開的時(shí)候很小，打開之后就蓬松起來(lái)了，一個(gè)個(gè)小孔的空間就可以存放電量，同時(shí)這是一個(gè)非常具有中國(guó)元素的科技。
目前，這一研究成果發(fā)表在《ACS應(yīng)用材料與界面》國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上。該研究工作還得到了國(guó)家自然科學(xué)青年基金、省自然科學(xué)青年基金、大學(xué)生科技創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。
