霉菌无处不在，其危害给人们造成了深刻的印象。但令人惊叹的是，发霉的大米，经过改性、碳化等一系列流程，摇身一变也可以成为成新型储能材料。究竟是什么样的新型材料呢？谁创造了这种材料？有什么重大的意义和突破？
浙江大学材料科学与工程学院夏新辉研究员团队近期实现了一个“奇思妙想”，他们研发出一款基于曲霉菌孢子碳材料的高能量密度锂硫电池，有望为电动汽车的长续航能力提供新技术。这项成果近日发表于《先进材料》杂志。
一探究竟：霉菌孢子碳提供导电“好房子”
研发新一代锂离子动力电池被纳入了多个国家重点研发计划，一个关键的措施就是找到新型的电池正极材料。锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，是以硫作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池，其理论容量远超过目前商用的锂电池。
夏新辉介绍，这是因为在诸多的电池正极材料中，硫元素以容量密度高、能量足，而被广为看好为下一代电池材料。然而，单质硫存在的一个致命弊端，就是硫本身绝缘，且反应的中间产物会溶于电池的电解液中，损失很快，意味着续航能力不行。所以锂硫电池的强大属性目前仅停留在理论层面，一直未能商用。
长久以来，科学界就一直在探究如何找到一处“好房子”来固定住硫元素。夏新辉团队的研究由此开始，“只有找到好的导电‘房子’，将硫安顿好后，才能让这一元素真正发挥储能作用。”
使用煮熟的废弃大米培养米曲霉霉菌，然后将其改性和碳化，能作为高能量密度锂硫电池的载硫材料。实验中，研究团队利用这种孢子碳特殊的结构，并结合一些特殊的纳米造孔技术，制备出了一种全新的霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料。
在实验过程中，科研人员首先将霉菌通过发酵培养，然后通过镍的造孔能力将其结构优化，再经过高温碳化后，产生霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料。之后就是与硫元素的融合，在155度的温度下，让硫熔融，以熔融态的方式与碳材料混合，携带的硫就进入了“房子”。
饮水思源：两个烂橙子引发的“储能新案”
那么为什么这个新房子能够被构建起来呢？夏新辉和钟宇团队又是如何想到用霉菌来开展实验的呢？
秋天，除了菊黄蟹肥，也是橙子、桔子大量上市的季节。有天，夏新辉买了一箱橙子，但是吃到后来，下层的几个发霉了。一般家庭都会扔掉，但是他却想知道霉菌到底是什么样的物质在起作用。
“用到电池研究，纯粹是一次‘无心插柳’的实验。”夏新辉介绍，出于好奇他拿来两个烂橙子和钟宇一起研究。此后便一发不可收拾。
相关数据显示，我国每年因霉变造成的食材和货物损失高达2100万吨，其中保存期限较短的食物和果蔬（柑橘、番茄等）的损失更是数不胜数。意识到霉菌孢子对硫的固定作用后，团队将研究目标扩大到其他食材果蔬滋生的霉菌。经研究对比，他们发现煮熟的大米滋生的米曲霉霉菌和木头霉变产生的木霉对硫的固定作用效果尤佳，而且这两类物品资源充足，相应的霉变量也高，便于后期实验取材。
夏新辉介绍，“若能将上述废弃粮食果蔬重新发酵利用，用于制备霉菌孢子碳材料可实现废物利用，可产生良好的经济效应。”
“目前锂硫电池仍在实验室阶段，研究的主要方向落在如何更加高效地利用导电性较差的单质硫和吸附易溶解的多硫化物中间产物上。”钟宇说。
得天独厚：性能优越影响深远的新“房子”
锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，以硫作为电池正极、金属锂作为负极，其理论容量远超过目前商用的锂电池。在诸多的电池正极材料中，硫元素以容量密度高、能量足的特点，广受业界关注。
科研人员发现，这种霉菌孢子及其孢子碳材料具有非常特殊的多孔微纳结构，由一种弯曲迷宫状的次级结构构成，具有较高的比表面积。同时，霉菌孢子所衍生的碳材料，具有氮、磷元素的原位掺杂，对锂硫电池运行过程中产生的穿梭效应具有显著抑制作用，而且能提高电池的能量密度，改善电池性能。
研究结果表明，这种全新的霉菌孢子碳/纳米磷化镍得益于其自身的高孔隙度、高导电性、大比表面积和多储硫位点，并且能够对中间产物进行物理/化学的双重吸附，因此其电池性能得到了极大的改善。
目前夏新辉团队研究的基于曲霉菌孢子碳及其应用于高能锂硫电池较市场上最好电池的比容量高出3倍，未来有望解决电瓶汽车在长途行驶中的续航能力。与此同时，这款电池还在成本、使用寿命等方面有许多优势。
这项新型材料的研发，给全球储能领域研究者提供了新思路，给出一种“化腐朽为能量”的变废为宝思路。将废弃果蔬发酵的霉菌孢子碳作为储能材料引入能源领域，不仅能够缓解每年因霉变造成的食材和货物损失，还能够获得高能量密度电池，有望解决电动汽车长途行驶的续航能力问题，可应用于便携式电子设备和电动汽车，为电动汽车的长续航能力提供新的拓展技术。
采编/王一心
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