威士忌酒糟有望成為新一代超級(jí)電容器原料

肯塔基州的波本威士忌行業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量廢棄谷物，其運(yùn)輸和處理成本高昂。研究人員如今找到了一種方法，可將這種副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為高性能儲(chǔ)能材料，有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車與大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域。

全球超過95%的波本威士忌產(chǎn)自肯塔基州。每生產(chǎn)一桶波本，就會(huì)產(chǎn)生6至10倍量的酒糟（stillage） —— 一種由廢棄谷物和水組成的漿液。這類廢料通常賣給農(nóng)戶用作牲畜飼料或土壤改良劑，但必須先經(jīng)過干燥處理以減輕重量、便于加工。

肯塔基大學(xué)化學(xué)系研究生Josiel Barrios Cossio表示，這對(duì)釀酒廠來說是一項(xiàng)巨大負(fù)擔(dān)。酒糟要么需要大量時(shí)間與場(chǎng)地通過蒸發(fā)自然晾干，要么就得采用成本高昂的加熱工藝。他和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)，可以直接將濕酒糟轉(zhuǎn)化為有用的碳材料，用于制造電池和超級(jí)電容器的電極。

在近日于亞特蘭大舉行的美國化學(xué)會(huì)春季會(huì)議上，Barrios Cossio展示了相關(guān)研究成果：利用這種碳材料制備的超級(jí)電容器，其能量密度可達(dá)到甚至超越商用產(chǎn)品；而制備出的混合型鋰離子超級(jí)電容器，儲(chǔ)能能力可達(dá)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的25倍。Barrios Cossio表示，盡管這項(xiàng)研究目前僅為概念驗(yàn)證階段，但它最終有望讓釀酒廠將廢棄物轉(zhuǎn)化為盈利來源。

他表示：“這是一個(gè)雙贏局面，因?yàn)槲覀冇型@得一種更可再生、儲(chǔ)量更豐富的生物質(zhì)原料，來生產(chǎn)這些在汽車工業(yè)和可再生能源領(lǐng)域需求日益增長的材料?！?/span>

Barrios Cossio最初是在參加美國國家科學(xué)基金會(huì)開展的一項(xiàng)研究實(shí)習(xí)時(shí)萌生了這一想法，該項(xiàng)目旨在為水、能源和食品系統(tǒng)相關(guān)問題尋找解決方案。在走訪多家釀酒廠、親眼目睹廢棄物產(chǎn)生規(guī)模以及企業(yè)處理難題后，他開始思考如何讓酒糟得到更高效的利用。

他了解到德國耶拿市耶拿弗里德里希?席勒大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，已研發(fā)出將啤酒廠廢棄谷物轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能設(shè)備電極材料的工藝。隨后，Barrios Cossio在該實(shí)驗(yàn)室完成了暑期實(shí)習(xí)，學(xué)習(xí)了相關(guān)技術(shù)。

回到美國后，Barrios Cossio聯(lián)系了多家釀酒廠，希望獲取一些酒糟用于實(shí)驗(yàn)，很快肯塔基州丹維爾市的荒野小徑釀酒廠（Wilderness Trail Distillery）給出了回應(yīng)。“我問他們：‘我可以取一加侖酒糟嗎？’”他說，“幾天后他們回復(fù)我：‘當(dāng)然可以，盡管來取。不過我更希望你一次性拿走10000加侖，把那天生產(chǎn)的酒糟全都運(yùn)走。’”

Josiel Barrios Cossio

研究人員采用一種名為水熱碳化的工藝將酒糟轉(zhuǎn)化為有用材料。該工藝通過在高壓下加熱濕漿液，生成一種名為水炭的黑色精細(xì)碳粉。Barrios Cossio表示，這種工藝的一大優(yōu)勢(shì)在于：酒糟的高含水量恰好能產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化所需的壓力。

研究團(tuán)隊(duì)利用生成的水炭制備出兩種高價(jià)值碳材料。在其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將水炭與氫氧化鉀混合，并加熱至約800℃，制得活性炭。Barrios Cossio稱，這種材料孔隙率極高，比表面積可超過1000平方米/克，非常適合制造高容量超級(jí)電容器 —— 這類器件通過將帶電離子吸附在電極材料表面來儲(chǔ)存電能。

研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，使用這種水炭制備的電極制成的硬幣大小雙電層電容器，儲(chǔ)能密度可達(dá)48瓦時(shí)/公斤，與商用超級(jí)電容器水平相當(dāng)。

該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，通過在熔爐中將水炭加熱至200℃，可以制備出硬碳材料（https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/hard-carbon）。這種材料的結(jié)構(gòu)與石墨類似，都是由單層原子厚度的石墨烯片有序堆疊而成；但與石墨不同的是，硬碳中的片層排列更為雜亂。這會(huì)形成大量微小孔隙與缺陷，非常適合儲(chǔ)存電池中常用的堿金屬離子，如鋰離子和鈉離子。

Barrios Cossio使用這種由水炭制備的硬碳，制成了負(fù)載鋰離子的類電池電極，再將其與活性炭電極結(jié)合，構(gòu)建出混合型超級(jí)電容器。這種器件兼顧了電池的高儲(chǔ)能容量與電容器的快速放電特性，Cossio表示，它在電動(dòng)汽車、電網(wǎng)穩(wěn)定等領(lǐng)域具有特別重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前這些器件還僅處于概念驗(yàn)證階段。科西奧坦言，要將該工藝放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，仍需大量優(yōu)化改進(jìn)。研究團(tuán)隊(duì)目前正在開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以評(píng)估該方案的商業(yè)可行性。但項(xiàng)目指導(dǎo)老師、肯塔基大學(xué)化學(xué)教授Marcelo Guzman認(rèn)為，這一方法有望成為滿足日益增長的儲(chǔ)能需求的可持續(xù)新途徑。

他說：“肯塔基州自2019年以來就大力投資發(fā)展汽車電池產(chǎn)業(yè)。該領(lǐng)域已經(jīng)投入了數(shù)十億美元，因此未來對(duì)材料供應(yīng)的需求將會(huì)非常巨大。我們認(rèn)為，我們恰逢其時(shí)、恰在其地切入了這一問題，并且我們研發(fā)的材料很可能會(huì)受到電池行業(yè)的高度關(guān)注?！?/span>