榴蓮，因?yàn)楠?dú)特濃郁的氣味，如同奶油凍一般濃甜細(xì)膩的果肉，被稱為水果之王。喜歡它的老饕，恨不得日啖三百，而對(duì)其氣味排斥者，則深惡痛絕，見到它就如入鮑魚之肆，掩鼻疾走。近日，悉尼大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院的一群專家卻發(fā)現(xiàn)，在這種口碑兩極分裂的熱帶水果身上，可能誕生一項(xiàng)未來新能源黑科技。
從水果之王變身儲(chǔ)能之王
具體來說，榴蓮很可能成為未來電動(dòng)汽車與其他消費(fèi)電子產(chǎn)品快速充電設(shè)備的重要原材料。當(dāng)然，這并不意味著簡單用沉重而多刺的榴蓮果殼造個(gè)手機(jī)殼，或者直接切兩片榴蓮果肉塞到電池或者充電寶里就OK了。
在一篇刊登于《能源貯藏》（Journal of Energy Storage）3月刊的論文中，悉尼大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院的文森特·G·戈麥斯（Vincent G. Gomes）副教授提出了一個(gè)大膽的發(fā)現(xiàn)，從榴蓮和菠蘿蜜剩余殘留物中，可以提取出制造超級(jí)電容材料的有效成分。
什么是超級(jí)電容？
我們都知道，普通的電池，是靠內(nèi)置活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存電能的。與普通電池不同，超級(jí)電容是利用雙電層原理制成的電容器，靠固體和固體，或液體和固體界面處的電荷分離來進(jìn)行能量儲(chǔ)存，也就是通過收集靜電來儲(chǔ)存能量。電容儲(chǔ)存的是電能。電池儲(chǔ)存的是由電能轉(zhuǎn)化后的化學(xué)能。前者是物理變化，后者是化學(xué)變化。
超級(jí)電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，通過內(nèi)部碳材料吸附正負(fù)電荷來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能 | https://electricalfundablog.com/
大家可能都做過這樣的趣味小實(shí)驗(yàn)，用一只充滿氣的橡膠氣球摩擦自己的頭發(fā)，又或者把衣服拿出烘干機(jī)時(shí)，兩件衣服粘在一起，這些行為都會(huì)產(chǎn)生靜電，而超級(jí)電容器可以吸收和儲(chǔ)存這些靜電。
在超級(jí)電容內(nèi)部，作為正負(fù)極的是金屬面板，中間是多孔滲透材料，以便盡可能多儲(chǔ)存電能。戈麥斯打了個(gè)生動(dòng)的比方，如果把電能比喻為水，那么超級(jí)電容就好比一塊海綿，盡可能地將電能“吸納”在其中。
傳統(tǒng)超級(jí)電容所用的多孔滲透材料，是昂貴的人工碳納米管和石墨烯，這些多孔滲透材料在顯微鏡下，如同一座座立體迷宮，遍布了許多孔道。在這里“居住”的“房客”并不是電荷，而是氮原子。氮原子越多，就越能增加電化學(xué)儲(chǔ)能活性，同時(shí)又能保持高導(dǎo)電率。如果把超級(jí)電容比喻成一座工廠，氮原子是工人，那么這些孔道就是工人的宿舍，宿舍越多，能夠容納的工人越多，整座工廠的生產(chǎn)效率就會(huì)越高。
電子顯微鏡下，榴蓮碳?xì)饽z殘料內(nèi)部豐富的孔道 | www.elsevier.com/locate/est
“自然生物經(jīng)過幾百萬年的進(jìn)化，擁有了精細(xì)出色的分層結(jié)構(gòu)，成為一種表現(xiàn)優(yōu)異的碳基材料”戈麥斯在論文中表示。他們利用榴蓮和菠蘿蜜的殘?jiān)瞥闪顺p的空心材料，這種材料被稱為碳?xì)饽z。碳?xì)饽z高度多孔且具有高吸收能力，是目前制造超級(jí)電容的優(yōu)良材料。
利用榴蓮殘余物制造碳?xì)饽z流程圖 | www.elsevier.com/locate/est
通過高壓滅菌，戈麥斯和他的同事將榴蓮與菠蘿蜜核去除雜質(zhì)，在零下80度真空環(huán)境中冷凍，經(jīng)高熱處理，最終做出了一批性能良好的碳?xì)饽z原料。近年來，材料學(xué)專家也一直嘗試以其他自然界植物，比如西瓜與西柚的果皮，甚至紙漿為原料，制造碳?xì)饽z，但比起人工碳納米管來，性能都不令人滿意。
“超級(jí)電容”的長板與短板
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，戈麥斯團(tuán)隊(duì)在超級(jí)電容中加入榴蓮果核制造的碳?xì)饽z后，它的質(zhì)量能量密度能夠達(dá)到82.5瓦時(shí)/千克（WH/kg），比起傳統(tǒng)超級(jí)電容10到20 WH/kg的表現(xiàn)，確實(shí)是有了飛躍。
那么是否電池制造工業(yè)在不久的將來就能大規(guī)?！白儚U為寶”，利用這些生物垃圾制造出傳說中的超級(jí)電池了呢？且慢快活。
首先，超級(jí)電容器的工作方式與傳統(tǒng)電池不同，雖然可以更快地充電，但電壓低，無法存儲(chǔ)太多能量，能量密度只有鋰電池的十分之一。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有汽車市場上純電動(dòng)力汽車電池的質(zhì)量能量密度，大約是350 Wh/kg。所以說，超級(jí)電容本身，暫時(shí)還是一種前景不明朗，性價(jià)比不高，使用場景狹窄的技術(shù)。
第二點(diǎn)，較之工業(yè)制造的人工碳納米管，利用榴蓮核這樣的自然生物垃圾制造出的超級(jí)電容用碳材料，質(zhì)量極不穩(wěn)定，品控難度極高。試想一下，一種大規(guī)模制造，日常需求極高的產(chǎn)品，在制造過程中，品質(zhì)極端不穩(wěn)定，這一批性能優(yōu)良，下一批可能就是廢物，那肯定是無法接受的。
未來超級(jí)電容應(yīng)用想象圖, 包括在新能源車輛上配合電池使用，收集車輛行駛中產(chǎn)生的動(dòng)能，或者無縫嵌入服裝 | https://gnanomat.com
所以，許多能源與材料工業(yè)專家指出，超級(jí)電容的未來，很可能是手機(jī)，以及可穿戴設(shè)備等相對(duì)輕量化、對(duì)電量要求不高的輕型消費(fèi)電子產(chǎn)品。這樣本身輕便，在充電速度上占優(yōu)的超級(jí)電容器才會(huì)有用武之地。所以說，想讓榴蓮變身黑科技滿滿的勁量小電池，還有一段漫長的道路要走。
作者：朱步?jīng)_
編輯：Odette
