肯塔基州的波本威士忌產(chǎn)業(yè)每年都會(huì)產(chǎn)生巨量的谷物廢料，運(yùn)輸和處理成本高昂。如今研究人員找到了一種方法，能將這些副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為高性能儲(chǔ)能材料，未來有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車與大型電網(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。每釀造一桶波本酒，就會(huì)產(chǎn)生 6 至 10 倍體積的酒糟（stillage）—— 一種由廢棄谷物和水組成的漿液。這些廢料通常會(huì)賣給農(nóng)戶用作牲畜飼料或土壤改良劑，但必須先經(jīng)過干燥處理以減重、便于運(yùn)輸。

肯塔基大學(xué)化學(xué)系研究生約希爾?巴 rios?科西奧表示，這對(duì)酒廠來說是一項(xiàng)沉重負(fù)擔(dān)：自然蒸發(fā)干燥耗時(shí)耗空間，加熱烘干則成本高昂。他與團(tuán)隊(duì)證實(shí)，可以直接將濕酒糟轉(zhuǎn)化為可用的碳材料，用于制造電池與超級(jí)電容器的電極。

在亞特蘭大舉行的美國化學(xué)會(huì)春季會(huì)議上，科西奧展示了相關(guān)研究成果：這種碳材料制成的超級(jí)電容器，能量密度可媲美甚至超越商用產(chǎn)品；而混合型鋰離子超級(jí)電容器的儲(chǔ)電量更是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的25 倍。盡管目前僅為概念驗(yàn)證，但科西奧表示，這項(xiàng)技術(shù)最終能讓酒廠把廢料變成盈利來源。

“這是一個(gè)雙贏方案，” 他說，“我們可以獲得一種更可再生、儲(chǔ)量更豐富的生物質(zhì)原料，來生產(chǎn)汽車行業(yè)和可再生能源領(lǐng)域日益緊缺的材料。”

創(chuàng)新儲(chǔ)能解決方案

科西奧最初的靈感來自美國國家科學(xué)基金會(huì)的一項(xiàng)研究實(shí)習(xí)項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在尋找水、能源與食品系統(tǒng)相關(guān)問題的解決方案。在走訪多家酒廠、親眼見識(shí)廢料規(guī)模與處理難題后，他開始思考如何更高效地利用酒糟。

他了解到德國耶拿弗里德里希?席勒大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，已開發(fā)出將啤酒廠廢棄谷物轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能電極材料的工藝。科西奧隨后在該實(shí)驗(yàn)室完成暑期實(shí)習(xí)，學(xué)習(xí)了相關(guān)技術(shù)。

回到美國后，他聯(lián)系了多家酒廠尋求實(shí)驗(yàn)用酒糟，很快得到肯塔基州丹維爾市荒野小徑酒廠的回應(yīng)。“我問他們能不能給我一加侖酒糟，” 他說，“幾天后他們回復(fù)：‘當(dāng)然可以，不過我們更希望你直接運(yùn)走 10000 加侖，把當(dāng)天的廢料都清走。’”

 肯塔基大學(xué)的研究人員利用波本酒廠廢料開發(fā)了超級(jí)電容器電極，每公斤儲(chǔ)存的能量比商業(yè)設(shè)備更多。

轉(zhuǎn)化工藝：從濕酒糟到高性能碳材料

研究團(tuán)隊(duì)采用水熱碳化法將酒糟轉(zhuǎn)化為有用材料：在高壓下加熱濕漿液，生成一種名為水焦的黑色精細(xì)碳粉。科西奧表示，該工藝的一大優(yōu)勢(shì)是酒糟的高含水量恰好能為轉(zhuǎn)化過程提供所需壓力。

研究人員進(jìn)一步將水焦制成兩種高價(jià)值碳材料：

• 活性炭

將水焦與氫氧化鉀混合，在約 800℃下加熱，得到高孔隙率活性炭，比表面積可達(dá) 1000 平方米 / 克以上，非常適合制作高容量超級(jí)電容器。

團(tuán)隊(duì)用該材料制作的紐扣式雙電層電容器，儲(chǔ)能量可達(dá)48 瓦時(shí) / 公斤，與商用超級(jí)電容器相當(dāng)。

• 硬碳

將水焦在 200℃爐中加熱制成硬碳，結(jié)構(gòu)類似石墨，但石墨烯片層排列更無序，富含微小孔隙與缺陷，非常適合儲(chǔ)存鋰、鈉等堿金屬離子。

科西奧用這種硬碳制成含鋰離子的類電池電極，再與活性炭電極結(jié)合，造出混合型超級(jí)電容器，兼具電池高儲(chǔ)電量與電容器快速充放電的優(yōu)勢(shì)，特別適用于電動(dòng)汽車、電網(wǎng)穩(wěn)定等場(chǎng)景。

產(chǎn)業(yè)化前景

目前相關(guān)器件仍處于概念驗(yàn)證階段。科西奧坦言，要將工藝放大到工業(yè)級(jí)別仍需大量優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)也正在開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，評(píng)估方案的商業(yè)可行性。

項(xiàng)目指導(dǎo)老師、肯塔基大學(xué)化學(xué)教授馬塞洛?古斯曼表示，該方法有望以可持續(xù)方式滿足日益增長的儲(chǔ)能材料需求。

“肯塔基州自 2019 年以來已大力投入汽車電池產(chǎn)業(yè)，累計(jì)投資達(dá)數(shù)十億美元，未來對(duì)材料供應(yīng)的需求會(huì)非常巨大，” 他說，“我們認(rèn)為這項(xiàng)研究恰逢其時(shí)，所開發(fā)的材料對(duì)電池產(chǎn)業(yè)極具價(jià)值。”