中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng):霉菌無處不在，其危害給人們?cè)斐闪松羁痰挠∠?。但令人驚嘆的是，發(fā)霉的大米，經(jīng)過改性、碳化等一系列流程，搖身一變也可以成為成新型儲(chǔ)能材料。究竟是什么樣的新型材料呢？誰(shuí)創(chuàng)造了這種材料？有什么重大的意義和突破？
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)近期實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“奇思妙想”，他們研發(fā)出一款基于曲霉菌孢子碳材料的高能量密度鋰硫電池，有望為電動(dòng)汽車的長(zhǎng)續(xù)航能力提供新技術(shù)。這項(xiàng)成果近日發(fā)表于《先進(jìn)材料》雜志。
一探究竟：霉菌孢子碳提供導(dǎo)電“好房子”
研發(fā)新一代鋰離子動(dòng)力電池被納入了多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，一個(gè)關(guān)鍵的措施就是找到新型的電池正極材料。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。
夏新輝介紹，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)溶于電池的電解液中，損失很快，意味著續(xù)航能力不行。所以鋰硫電池的強(qiáng)大屬性目前僅停留在理論層面，一直未能商用。
長(zhǎng)久以來，科學(xué)界就一直在探究如何找到一處“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?！?
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，能作為高能量密度鋰硫電池的載硫材料。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。
在實(shí)驗(yàn)過程中，科研人員首先將霉菌通過發(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。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”。
飲水思源：兩個(gè)爛橙子引發(fā)的“儲(chǔ)能新案”
那么為什么這個(gè)新房子能夠被構(gòu)建起來呢？夏新輝和鐘宇團(tuán)隊(duì)又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)?！毕男螺x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。
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)。意識(shí)到霉菌孢子對(duì)硫的固定作用后，團(tuán)隊(duì)將研究目標(biāo)擴(kuò)大到其他食材果蔬滋生的霉菌。經(jīng)研究對(duì)比，他們發(fā)現(xiàn)煮熟的大米滋生的米曲霉霉菌和木頭霉變產(chǎn)生的木霉對(duì)硫的固定作用效果尤佳，而且這兩類物品資源充足，相應(yīng)的霉變量也高，便于后期實(shí)驗(yàn)取材。
夏新輝介紹，“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?！辩娪钫f。
得天獨(dú)厚：性能優(yōu)越影響深遠(yuǎn)的新“房子”
鋰硫電池是一種新型的高能量密度電池，以硫作為電池正極、金屬鋰作為負(fù)極，其理論容量遠(yuǎn)超過目前商用的鋰電池。在諸多的電池正極材料中，硫元素以容量密度高、能量足的特點(diǎn)，廣受業(yè)界關(guān)注。
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，而且能提高電池的能量密度，改善電池性能。
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。
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)。
這項(xiàng)新型材料的研發(fā)，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，不僅能夠緩解每年因霉變?cè)斐傻氖巢暮拓浳飺p失，還能夠獲得高能量密度電池，有望解決電動(dòng)汽車長(zhǎng)途行駛的續(xù)航能力問題，可應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車，為電動(dòng)汽車的長(zhǎng)續(xù)航能力提供新的拓展技術(shù)。
