近日，在揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實驗室中，該校侯建華博士團隊利用爆米花制成“超級電池”，3分鐘內(nèi)能充滿電，有望克服電動車輛行駛里程短、充電時間長的發(fā)展瓶頸。而這項發(fā)明靈感，則是來源于他女兒吃爆米花時的提問。
隨著可再生清潔能源的發(fā)展，與之匹配的能源存儲器件研究也越來越受到關(guān)注。侯建華說，超級電容器作為一種新型儲能設(shè)備，因其超高的功率密度、穩(wěn)定性和長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，已逐漸走進人們的生活。
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)儲能器件在實際生活中的應(yīng)用，也阻礙了超級電容器作為主要動力能源的進程。因此，對碳材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分進行調(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)一種簡單、綠色、可規(guī)模化的方法，對多孔碳的結(jié)構(gòu)進行精確設(shè)計，以獲得高能量密度和功率密度的超級電容器，成為侯建華的鉆研方向。
“為什么爆米花會如此的香脆?”一次女兒吃爆米花時的提問，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電容器的材料，來儲存能源呢?”
如今，侯建華及其團隊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電容器器件。
爆米花如何儲存能量?
侯建華介紹說，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大超過25倍，這一爆炸過程形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，進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到其納米片狀多孔的內(nèi)部，極大地提高超級電池的存儲能力。”侯建華表示。
據(jù)了解，爆米花基電池的能量密度是已報道的生物質(zhì)衍生碳材料中最高值。實驗結(jié)果顯示，利用爆米花制成的超級電池3分鐘內(nèi)能充滿電，經(jīng)一萬次充放電后容量仍然大于95%，極有望克服電動車輛行駛里程短、充電時間長的發(fā)展瓶頸，滿足電動車輛主要動力能源的迫切需求。
除了爆米花，侯建華博士還通過其他的“綠色材料”進行超級電容器的制作，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，不打開的時候很小，打開之后就蓬松起來了，一個個小孔的空間就可以存放電量，同時這是一個非常具有中國元素的科技。
目前，這一研究成果發(fā)表在《ACS應(yīng)用材料與界面》國際學(xué)術(shù)期刊上。該研究工作還得到了國家自然科學(xué)青年基金、省自然科學(xué)青年基金、大學(xué)生科技創(chuàng)新基金等項目的支持。
