動力電池是電動汽車的心臟,直接決定其續(xù)航能力。而動力電池性能則主要取決于電極材料,這也是電池儲能領(lǐng)域的研究重點與核心?！八街梢怨ビ瘛?，這在科研領(lǐng)域被不斷驗證，如浙江大學夏新輝研究員的生物質(zhì)衍生碳儲能研究工作。

一說起霉菌，人們首先會想到它無處不在的危害。如食物果蔬放久了會長霉，造成巨大的食物浪費。同時產(chǎn)生的霉菌孢子飄散在空氣里也會對身體健康造成不利影響?？纱蠹覜]有想到的是，浙江大學材料科學與工程學院夏新輝研究員團隊將這兩者聯(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。這項成果近日在世界頂級材料期刊《先進材料》（Advanced Materials）上報道。論文第一作者為該學院博士研究生鐘宇，通訊作者為夏新輝研究員。

這項研究成果給全球儲能領(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能材料引入能源領(lǐng)域，獲得高能量密度電池，為電動汽車的長續(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備或者電動汽車上使用

霉菌孢子碳提供了導電的“好房子”

要滿足國家對新一代電池的要求，科學界和實業(yè)界還有很長的路要走。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”。當然，這個問題因為硫元素而已經(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，金屬鋰作為負極的一種鋰電池，其理論容量遠超過目前商用的鋰電池?！毕男螺x介紹，這是因為在諸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)硫存在的一個致命弊端，就是硫本身絕緣，且反應的中間產(chǎn)物會溶于電解液中穿梭損失。

長久以來，科學界就一直在為硫?qū)ふ乙粋€宿主，也就是找到一處“好房子”來固定住硫元素。夏新輝團隊的研究由此開始，“只有找到好的導電‘房子’，將硫安頓好后，才能讓這一元素真正發(fā)揮儲能作用?！?/p>

實驗中，研究團隊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/納米磷化鎳復合材料。這個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結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有較高的比表面積。同時，霉菌孢子所衍生的碳材料，具有氮、磷元素的原位摻雜，對鋰硫電池運行過程中產(chǎn)生的穿梭效應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、高導電性、大比表面積和多儲硫位點，并且能夠?qū)χ虚g產(chǎn)物進行物理/化學的雙重吸附，因此其電池性能得到了極大的改善。

兩個爛橙子引發(fā)的奇思妙想

評價電池質(zhì)量的一個指標為正極材料的比容量，也就是說1克質(zhì)量的活性物質(zhì)可以儲存/釋放多少電量，用通俗的話講，就是續(xù)航能力的長短。目前夏新輝團隊研究的基于曲霉菌孢子碳及其應用于高能鋰硫電池較市場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途行駛中的續(xù)航能力。與此同時，這款電池還在成本、使用壽命等方面有許多優(yōu)勢。

那么夏新輝和鐘宇團隊是如何想到用霉菌來開展實驗的呢？

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，下層的幾個發(fā)霉了。一般家庭都會扔掉，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’的實驗?！毕男螺x介紹，出于好奇他拿來兩個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)北門外有一個水果攤，店主會將爛水果送給夏新輝課題組，作為實驗材料。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國每年因霉變造成的食材和貨物損失高達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?！叭裟軐⑸鲜鰪U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現(xiàn)廢物利用，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效應?！?/p>

“目前鋰硫電池仍在實驗室階段，研究的主要方向落在如何更加高效地利用導電性較差的單質(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，同時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兄郏贿M則退，積跬步才以至千里。

此項研究得到國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金、錢江人才計劃、浙大百人計劃等項目資助。

（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