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扬州大学: 爆米花制成"超级电池"
2017-12-05 10:01:48   来源:中国科学报   作者:陶天云 何梦樊  点击:

爆米花除了吃还能干嘛?近日,在扬州大学环境科学与工程学院实验室中,该校侯建华博士团队利用爆米花制成“超级电池”,3分钟内能充满电,有望克服电动车辆行驶里程短、充电时间长的发展瓶颈。而这项发明灵感,则是来源于他女儿吃爆米花时的提问。

随着可再生清洁能源的发展,与之匹配的能源存储器件研究也越来越受到关注。侯建华说,超级电容器作为一种新型储能设备,因其超高的功率密度、稳定性和长循环寿命等优势,已逐渐走进人们的生活。碳材料因其较低的成本和理想的电化学性能,成为超级电容器电极材料的首选。传统碳材料如多孔碳、活性炭等容量有限,很大程度上限制了电化学储能器件在实际生活中的应用,也阻碍了超级电容器作为主要动力能源的进程。因此,对碳材料的微观结构和化学组分进行调控,以提高碳材料的电化学性能是十分必要的。

据了解,目前已有的调控方法,如硬模板法、物理活化法等,大多只能单一调控多孔碳的某个特征,且操作通常较为复杂、成本较高。致力于开发一种简单、绿色、可规模化的方法,对多孔碳的结构进行精确设计,以获得高能量密度和功率密度的超级电容器,成为侯建华的钻研方向。

“为什么爆米花会如此的香脆?”一次女儿吃爆米花时的提问,给了侯建华灵感。他联想从玉米到爆米花微观结构发生的变化。“爆米花具有多孔蜂窝状结构,能不能把爆米花作为超级电容器的材料,来储存能源呢? ”

如今,侯建华及其团队制备出爆米花基多孔碳片,具有“超高”比表面积的蜂窝状纳米片结构,获得在生物质碳材料中具有最高能量密度的超级电容器器件。

爆米花如何储存能量?侯建华介绍说,将玉米用微波辐射2分钟转化为蓬松的爆米花,爆米花的体积比玉米颗粒扩大超过25倍,这一爆炸过程形成了蜂窝状结构,进一步微波碳化后便能获得衍生多孔碳纳米片。“爆米花蜂窝状结构拥有超高比表面积和完美的孔径,一小块材料便能将大量电量存储到其纳米片状多孔的内部,极大地提高超级电池的存储能力。”侯建华表示。

据了解,爆米花基电池的能量密度是已报道的生物质衍生碳材料中最高值。实验结果显示,利用爆米花制成的超级电池3分钟内能充满电,经一万次充放电后容量仍然大于95%,极有望克服电动车辆行驶里程短、充电时间长的发展瓶颈,满足电动车辆主要动力能源的迫切需求。

除了爆米花,侯建华博士还通过其他的“绿色材料”进行超级电容器的制作,如灯笼、豆腐、大米、油条等,特别是再结合利用农作物秸秆的本征空隙结构。据介绍,这些材料和爆米花都有着相同的原理,比如灯笼,不打开的时候很小,打开之后就蓬松起来了,一个个小孔的空间就可以存放电量,同时这是一个非常具有中国元素的科技。

目前,这一研究成果发表在《ACS应用材料与界面》国际学术期刊上。该研究工作还得到了国家自然科学青年基金、省自然科学青年基金、大学生科技创新基金等项目的支持。

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