動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的心臟,直接決定其續(xù)航能力。而動(dòng)力電池性能則主要取決于電極材料,這也是電池儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與核心?！八街梢怨ビ瘛?，這在科研領(lǐng)域被不斷驗(yàn)證，如浙江大學(xué)夏新輝研究員的生物質(zhì)衍生碳儲(chǔ)能研究工作。
一說起霉菌，人們首先會(huì)想到它無處不在的危害。如食物果蔬放久了會(huì)長(zhǎng)霉，造成巨大的食物浪費(fèi)。同時(shí)產(chǎn)生的霉菌孢子飄散在空氣里也會(huì)對(duì)身體健康造成不利影響?？纱蠹覜]有想到的是，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院夏新輝研究員團(tuán)隊(duì)將這兩者聯(lián)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鋰硫電池。這項(xiàng)成果近日在世界頂級(jí)材料期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上報(bào)道。論文第一作者為該學(xué)院博士研究生鐘宇，通訊作者為夏新輝研究員。
這項(xiàng)研究成果給全球儲(chǔ)能領(lǐng)域研究者提供了新思路，給出一種“化腐朽為能量”的變廢為寶思路，將廢棄果蔬發(fā)酵的霉菌孢子碳作為儲(chǔ)能材料引入能源領(lǐng)域，獲得高能量密度電池，為電動(dòng)汽車的長(zhǎng)續(xù)航能力提供新的拓展技術(shù)。
圖說：使用煮熟的廢棄大米培養(yǎng)米曲霉霉菌，然后將其改性和碳化，并作為高能量密度鋰硫電池的載硫材料，未來可在便攜式電子設(shè)備或者電動(dòng)汽車上使用
霉菌孢子碳提供了導(dǎo)電的“好房子”
要滿足國(guó)家對(duì)新一代電池的要求，科學(xué)界和實(shí)業(yè)界還有很長(zhǎng)的路要走。僅在容量密度上，需要破解的難題就是如何在1升的“水桶”里裝上2升的“水”。當(dāng)然，這個(gè)問題因?yàn)榱蛟囟呀?jīng)打開了解決的口子。
“鋰硫電池是一種新型的高能量密度電池，是以硫作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池，其理論容量遠(yuǎn)超過目前商用的鋰電池?！毕男螺x介紹，這是因?yàn)樵谥T多的電池正極材料中，硫元素以容量密度高、能量足，而被廣為看好為下一代電池材料。然而，單質(zhì)硫存在的一個(gè)致命弊端，就是硫本身絕緣，且反應(yīng)的中間產(chǎn)物會(huì)溶于電解液中穿梭損失。
長(zhǎng)久以來，科學(xué)界就一直在為硫?qū)ふ乙粋€(gè)宿主，也就是找到一處“好房子”來固定住硫元素。夏新輝團(tuán)隊(duì)的研究由此開始，“只有找到好的導(dǎo)電‘房子’，將硫安頓好后，才能讓這一元素真正發(fā)揮儲(chǔ)能作用。”
實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用這種孢子碳特殊的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合一些特殊的納米造孔技術(shù)，制備出了一種全新的霉菌孢子碳/納米磷化鎳復(fù)合材料?？蒲腥藛T首先將霉菌通過發(fā)酵培養(yǎng)，然后通過鎳的造孔能力將其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再經(jīng)過高溫碳化后，產(chǎn)生霉菌孢子碳/納米磷化鎳復(fù)合材料。這個(gè)過程就如同珊瑚留下珊瑚礁一般。之后就是與硫元素的融合，在155度的溫度下，讓硫熔融，以熔融態(tài)的方式與碳材料混合，攜帶的硫就進(jìn)入了“房子”。
這間“房子”怎么樣？
科研人員發(fā)現(xiàn)，這種霉菌孢子及其孢子碳材料具有非常特殊的多孔微納結(jié)構(gòu)，由一種彎曲迷宮狀的次級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有較高的比表面積。同時(shí)，霉菌孢子所衍生的碳材料，具有氮、磷元素的原位摻雜，對(duì)鋰硫電池運(yùn)行過程中產(chǎn)生的穿梭效應(yīng)具有顯著抑制作用并提高電池能量密度。
研究結(jié)果表明，這種全新的霉菌孢子碳/納米磷化鎳得益于其自身的高孔隙度、高導(dǎo)電性、大比表面積和多儲(chǔ)硫位點(diǎn)，并且能夠?qū)χ虚g產(chǎn)物進(jìn)行物理/化學(xué)的雙重吸附，因此其電池性能得到了極大的改善。
兩個(gè)爛橙子引發(fā)的奇思妙想
評(píng)價(jià)電池質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)為正極材料的比容量，也就是說1克質(zhì)量的活性物質(zhì)可以儲(chǔ)存/釋放多少電量，用通俗的話講，就是續(xù)航能力的長(zhǎng)短。目前夏新輝團(tuán)隊(duì)研究的基于曲霉菌孢子碳及其應(yīng)用于高能鋰硫電池較市場(chǎng)上最好電池的比容量高出3倍，未來有望解決電瓶汽車在長(zhǎng)途行駛中的續(xù)航能力。與此同時(shí)，這款電池還在成本、使用壽命等方面有許多優(yōu)勢(shì)。
那么夏新輝和鐘宇團(tuán)隊(duì)是如何想到用霉菌來開展實(shí)驗(yàn)的呢？
秋天，除了菊黃蟹肥，也是橙子、桔子大量上市的季節(jié)。有天，夏新輝買了一箱橙子，但是吃到后來，下層的幾個(gè)發(fā)霉了。一般家庭都會(huì)扔掉，但是他卻想知道霉菌到底是什么樣的物質(zhì)在起作用。
“用到電池研究，純粹是一次‘無心插柳’的實(shí)驗(yàn)。”夏新輝介紹，出于好奇他拿來兩個(gè)爛橙子和鐘宇一起研究。此后便一發(fā)不可收拾。浙大玉泉校區(qū)北門外有一個(gè)水果攤，店主會(huì)將爛水果送給夏新輝課題組，作為實(shí)驗(yàn)材料。
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年因霉變?cè)斐傻氖巢暮拓浳飺p失高達(dá)2100萬噸，其中保存期限較短的食物和果蔬（柑橘、番茄等）的損失更是數(shù)不勝數(shù)。夏新輝說。“若能將上述廢棄糧食果蔬重新發(fā)酵利用，用于制備霉菌孢子碳材料可實(shí)現(xiàn)廢物利用，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。”
“目前鋰硫電池仍在實(shí)驗(yàn)室階段，研究的主要方向落在如何更加高效地利用導(dǎo)電性較差的單質(zhì)硫和吸附易溶解的多硫化物中間產(chǎn)物上。”鐘宇說。夏新輝告訴記者，科研就是求是創(chuàng)新和探索試錯(cuò)，同時(shí)需要腦洞大開的思維和不走尋常路的心態(tài)。邊做邊想，永無止境，縱使充滿坎坷，任需不斷革新求變?？蒲腥缒嫠兄?，不進(jìn)則退，積跬步才以至千里。
此項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、錢江人才計(jì)劃、浙大百人計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
（文 柯溢能/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供）
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201805165
