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用霉菌孢子碳研制新电池  浙大学者化腐朽为能量

2018-10-17 19:03:45 来源: 作者: 江耘 洪恒飞

废弃食材和电池储能也能产生交集?浙江大学材料科学与工程学院夏新辉研究员团队将两者联系在了一起,通过培养米曲霉霉菌,然后将其改性和碳化,并作为高能量密度锂硫电池的载硫材料,研究出首例基于霉菌孢子碳材料的高能量密度锂硫电池,未来可应用于便携式电子设备和电动汽车。

这项成果近日在世界顶级材料期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表,为全球储能领域研究者提供了新的思路,将废弃果蔬发酵的霉菌孢子碳作为储能材料引入能源领域,获得高能量密度电池,为电动汽车及便携式电子设备的长续航能力提供新的拓展技术。

霉菌孢子碳引“硫”

“锂硫电池是一种新型的高能量密度电池,是以硫作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池,其理论容量远超过目前商用的锂电池。”夏新辉介绍,在诸多的电池正极材料中,硫元素以容量密度高、能量足,而被广为看好为下一代电池材料。然而,单质硫存在一个致命弊端——硫本身绝缘,且反应的中间产物会溶于电解液中穿梭损失。

只有克服这一弊端,硫元素的储能作用才能被很好地发挥出来。长期以来,科学界都在为硫寻找一个宿主,希望找到一处“好房子”来固定住硫元素,夏新辉团队的研究由此开始。

科研人员首先将霉菌通过发酵培养,然后通过镍的造孔能力将其结构优化,再经过高温碳化后,产生霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料,这个过程就如同珊瑚留下珊瑚礁一般。之后就是与硫元素的融合,让硫在155℃的高温条件下熔融,以熔融态的方式与碳材料混合,携带的硫就进入了“房子”。

这间“房子”怎么样?科研人员发现,米曲霉霉菌孢子及其孢子碳材料具有非常特殊的多孔微纳结构,由一种弯曲迷宫状的次级结构构成,具有较高的比表面积。同时,霉菌孢子所衍生的碳材料,具有氮、磷元素的原位掺杂,对锂硫电池运行过程中产生的穿梭效应具有显著抑制作用,而且能提高电池能量密度。

研究结果表明,这种全新的霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料得益于其自身的高孔隙度、高导电性、大比表面积和多储硫位点,并且能够对中间产物进行物理&化学的双重吸附,因此其电池性能得到了极大的改善。

从烂橙子嗅到科研契机

“自己偶然觉得腐烂的橙子可能存在潜在价值”,夏新辉告诉科技日报记者,“团队将霉菌用到电池研究,是一次“无心插柳”的实验。”

事实上,通过起初的研究尝试,团队意识到霉菌孢子对硫的固定作用,继而将研究目标扩大到其他食材果蔬滋生的霉菌,经研究对比,发现煮熟的大米滋生的米曲霉霉菌和木头霉变产生的木霉对硫的固定作用效果尤佳。“而且这两类物品资源充足,相应的霉变量也高,便于后期实验取材”,论文第一作者钟宇补充道。

相关数据显示,我国每年因霉变造成的食材和货物损失高达2100万吨,其中保存期限较短的食材果蔬的损失更是数不胜数。夏新辉说。“若能将上述废弃粮食果蔬重新发酵利用,用于制备霉菌孢子碳材料可实现废物利用,可产生良好的经济效应。”

正极材料的比容量是评价电池质量的一项重要指标,即1克质量的活性物质可以储存&释放多少电量,在电子产品上的直观表现,就是产品续航能力的长短。目前夏新辉团队研究的基于曲霉菌孢子碳及其应用于高能锂硫电池较市场上最好电池的比容量高出3倍,未来有望解决电瓶汽车在长途行驶中的续航能力。与此同时,这款电池还在成本、使用寿命等方面有许多优势。

“目前锂硫电池仍在实验室阶段,研究的主要方向落在如何更加高效地利用导电性较差的单质硫和吸附易溶解的多硫化物中间产物上。” 钟宇说。 

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责任编辑:任华凌
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