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揚州大學: 爆米花制成“超級電池”

2017-12-05 08:54:11 中國科學報   作者: 陶天云 何夢樊  

爆米花除了吃還能干嘛?近日,在揚州大學環境科學與工程學院實驗室中,該校侯建華博士團隊利用爆米花制成“超級電池”,3分鐘內能充滿電,有望克服電動車輛行駛里程短、充電時間長的發展瓶頸。而這項發明靈感,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展,與之匹配的能源存儲器件研究也越來越受到關注。侯建華說,超級電容器作為一種新型儲能設備,因其超高的功率密度、穩定性和長循環壽命等優勢,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性能,成為超級電容器電極材料的首選。傳統碳材料如多孔碳、活性炭等容量有限,很大程度上限制了電化學儲能器件在實際生活中的應用,也阻礙了超級電容器作為主要動力能源的進程。因此,對碳材料的微觀結構和化學組分進行調控,以提高碳材料的電化學性能是十分必要的。

據了解,目前已有的調控方法,如硬模板法、物理活化法等,大多只能單一調控多孔碳的某個特征,且操作通常較為復雜、成本較高。致力于開發一種簡單、綠色、可規模化的方法,對多孔碳的結構進行精確設計,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。他聯想從玉米到爆米花微觀結構發生的變化。“爆米花具有多孔蜂窩狀結構,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構,獲得在生物質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構,進一步微波碳化后便能獲得衍生多孔碳納米片。“爆米花蜂窩狀結構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部,極大地提高超級電池的存儲能力。”侯建華表示。

據了解,爆米花基電池的能量密度是已報道的生物質衍生碳材料中最高值。實驗結果顯示,利用爆米花制成的超級電池3分鐘內能充滿電,經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,特別是再結合利用農作物秸稈的本征空隙結構。據介紹,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,這一研究成果發表在《ACS應用材料與界面》國際學術期刊上。該研究工作還得到了國家自然科學青年基金、省自然科學青年基金、大學生科技創新基金等項目的支持。




責任編輯: 李穎

標簽:新能源,爆米花,“超級電池”,可再生能源,清潔能源