肯塔基州的波本威士忌產(chǎn)業(yè)每年都會產(chǎn)生巨量的谷物廢料，運輸和處理成本高昂。如今研究人員找到了一種方法，能將這些副產(chǎn)物轉化為高性能儲能材料，未來有望應用于電動汽車與大型電網(wǎng)儲能領域。

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、便于運輸。

肯塔基大學化學系研究生約希爾?巴 rios?科西奧表示，這對酒廠來說是一項沉重負擔：自然蒸發(fā)干燥耗時耗空間，加熱烘干則成本高昂。他與團隊證實，可以直接將濕酒糟轉化為可用的碳材料，用于制造電池與超級電容器的電極。

在亞特蘭大舉行的美國化學會春季會議上，科西奧展示了相關研究成果：這種碳材料制成的超級電容器，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電容器的儲電量更是傳統(tǒng)設計的25 倍。盡管目前僅為概念驗證，但科西奧表示，這項技術最終能讓酒廠把廢料變成盈利來源。

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

創(chuàng)新儲能解決方案

科西奧最初的靈感來自美國國家科學基金會的一項研究實習項目，該項目旨在尋找水、能源與食品系統(tǒng)相關問題的解決方案。在走訪多家酒廠、親眼見識廢料規(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?席勒大學的一個研究團隊，已開發(fā)出將啤酒廠廢棄谷物轉化為儲能電極材料的工藝。科西奧隨后在該實驗室完成暑期實習，學習了相關技術。

回到美國后，他聯(lián)系了多家酒廠尋求實驗用酒糟，很快得到肯塔基州丹維爾市荒野小徑酒廠的回應?！拔覇査麄兡懿荒芙o我一加侖酒糟，” 他說，“幾天后他們回復：‘當然可以，不過我們更希望你直接運走 10000 加侖，把當天的廢料都清走?！?/p>

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

轉化工藝：從濕酒糟到高性能碳材料

研究團隊采用水熱碳化法將酒糟轉化為有用材料：在高壓下加熱濕漿液，生成一種名為水焦的黑色精細碳粉?？莆鲓W表示，該工藝的一大優(yōu)勢是酒糟的高含水量恰好能為轉化過程提供所需壓力。

研究人員進一步將水焦制成兩種高價值碳材料：

• 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 1000 平方米 / 克以上，非常適合制作高容量超級電容器。

團隊用該材料制作的紐扣式雙電層電容器，儲能量可達48 瓦時 / 公斤，與商用超級電容器相當。

• 硬碳

將水焦在 200℃爐中加熱制成硬碳，結構類似石墨，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，再與活性炭電極結合，造出混合型超級電容器，兼具電池高儲電量與電容器快速充放電的優(yōu)勢，特別適用于電動汽車、電網(wǎng)穩(wěn)定等場景。

產(chǎn)業(yè)化前景

目前相關器件仍處于概念驗證階段。科西奧坦言，要將工藝放大到工業(yè)級別仍需大量優(yōu)化，團隊也正在開展技術經(jīng)濟分析，評估方案的商業(yè)可行性。

項目指導老師、肯塔基大學化學教授馬塞洛?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)，累計投資達數(shù)十億美元，未來對材料供應的需求會非常巨大，” 他說，“我們認為這項研究恰逢其時，所開發(fā)的材料對電池產(chǎn)業(yè)極具價值?！?/p>