爆米花除了吃还能干吗？扬州大学团队用它制成“超级电池”，电动车3分钟就能充满电

化学加 2020-01-25

综合 | 扬州晚报编辑 | 化学加

导读

爆米花除了吃还能干吗？近日，在扬州大学的环境工程实验室中，扬州大学教授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。而这项发明灵感来源于他女儿吃爆米花时的提问。

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爆米花为何如此香脆？女儿提问给了他研究灵感
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。侯建华介绍，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。传统碳材料如石墨、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。”
侯建华介绍，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，成为侯教授的钻研方向。
“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。“爆米花具有多孔特质，能不能把爆米花作为超级电容器的材料，来储存能源呢？ ”
而现在这个来自女儿的灵感成为了现实。侯建华博士及其团队制备出爆米花基碳片，具有“超高”比表面积的蜂窝状结构，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。
　试验中获得的爆米花结构的碳材料
爆米花有多大能量？电动车辆3分钟内能充满电
爆米花如何储存能量？侯建华介绍，将玉米用微波辐射8分钟转化为蓬松的爆米花，爆米花的体积比玉米颗粒扩大20多倍，这一爆炸过程形成了蜂窝状结构，进一步活化便能获得衍生多孔碳纳米片（爆米花经微波辐射，再活化之后形成的一种多孔材料）。
“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蓬松多孔的内部，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。
哪些材料能做超级电池？灯笼油条豆腐等材料都可以
除了爆米花，侯建华还通过其他的“绿色材料”来进行超级电容器的制作，如灯笼、豆腐、秸秆、油条等。
“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，这是一个非常具有中国元素的科技。”
“最好的科技应该来源于生活，中国几千年的传统文化符号里有那么多值得我们借鉴的地方，我就想从中国传统文化入手，将我们的科技推向世界。”侯建华说。
目前这一重要研究成果发表在ACS Applied materials & Interfaces （ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b07746）国际学术期刊上，并受到美国化学会的关注。该研究工作还得到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。
c&en 报道截图

Popcorn-derived porous carbon flakes have been successfully fabricated from the biomass of maize. Utilizing the “puffing effect”, the nubby maize grain turned into materials with an interconnected honeycomb-like porous structure composed of carbon flakes. The following chemical activation method enabled the as-prepared products to possess optimized porous structures for electrochemical energy-storage devices, such as multilayer flake-like structures, ultrahigh specific surface area (SBET: 3301 m2 g–1), and a high content of micropores (microporous surface area of 95%, especially the optimized sub-nanopores with the size of 0.69 nm) that can increase the specific capacitance. The as-obtained sample displayed excellent specific capacitance of 286 F g–1 at 90 A g–1 for supercapacitors. Moreover, the unique porous structure demonstrated an ideal way to improve the volumetric energy density performance. A high energy density of 103 Wh kg–1 or 53 Wh L–1 has been obtained in the case of ionic liquid electrolyte, which is the highest among reported biomass-derived carbon materials and will satisfy the urgent requirements of a primary power source for electric vehicles. This work may prove to be a fast, green, and large-scale synthesis route by using the large nubby granular materials to synthesize applicable porous carbons in energy-storage devices.
[1] 扬州晚报 2017年11月25日 A6版扬大团队用爆米花制成“超级电池” 有了它电动车3分钟就能充满电灯笼、豆腐、秸秆、油条等材料都能制作超级电容器通讯员何梦樊记者乔云
[2] Jianhua Hou, Kun Jiang,Rui Wei, Muhammad Tahir, Xiaoge Wu, Ming Shen, Xiaozhi Wang ,Chuanbao Cao*. Popcorn-Derived Porous Carbon Flakes with an Ultrahigh Specific Surface Area for Superior Performance Supercapacitors. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (36), pp 30626–30634