榴莲：纯天然、更经济的超级电容器材料
武汉加油
风雨同行 共克时艰
榴莲，被誉为热带“水果之王”，其强烈的气味令人印象深刻。榴莲果肉有相当高的食用价值，其果皮、果核还有一定的药用价值。
超级电容器，通过极化电解质来储能的一种电化学元件，是介于传统电容器与电池之间的一种新型、高效的储能装置，被广泛地应用于电力交通、分布式能源和备用电源等诸多领域。
榴莲与超级电容器是风牛马不相及的两事物。近日，澳大利亚悉尼大学的科学家却将这两者紧密地联系在一起，他们成功地实现了一种利用榴莲和菠萝蜜的废料，制成低成本的超级电容器电极方法。经实验证明，榴莲不可食用的海绵状核心是制造生物气凝胶的理想材料。
目前，超级电容器的电极材料主要有碳材料、金属氧化物及水合物材料、导电聚合物材料。在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和技术最成熟的是碳材料。碳电极的研究主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上，事实上最佳的是使用具有高孔隙率的材料，因为它们有助于使电解质通过电极扩散并使表面积最大化。
可用做超级电容器电极的碳材料主要有活性炭、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管、石墨烯等。其中，碳气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔性非晶炭素材料，其孔隙率高达80%~98%，典型孔隙尺寸<50nm，网络胶体颗粒尺寸3~20nm，比表面积高达60~1000m2/g，密度为0.05~0.80g/m3，是一种具有诸多优异性能(如导电性、光导性和机械性能等)和广阔应用前景的新型材料。有研究发现，碳气凝胶电极在0.5mA充放电时电极的比电容为121F/g，充放电效率为95%，具有性能稳定、充放电效率高等优良性能。
1931年，塞缪尔·基斯勒和查尔斯打赌谁能最好地用气体代替“果冻”中的所有液体，基于此他们第一次合成了气凝胶，诀窍是超临界干燥，保持原始凝胶的结构。曾有研究发现，基于气凝胶的电极在最大化电容方面甚至优于标准碳材料。气凝胶含有99.8%的空气，是已知最轻的固体材料。碳基气凝胶出现于20世纪80年代，由于其重量极轻，具有优异的隔热性能，因此受到美国宇航局等机构的青睐。但是，这些先进的材料在价格方面都比较昂贵。
探索是无止尽的，当科学家们使用气凝胶制作电极时，引发了他们使用有机废物（如柚皮、纸浆和西瓜）作为前体材料的尝试。这些形式的有机废物可以简单地冷冻干燥以除去水分，同时依然保留了形成良好气凝胶的层次结构。
因此，他们精选那些具有非常多孔和具有大表面积的榴莲和菠萝果。他们从澳大利亚的树上摘下菠萝果，在当地市场上购买榴莲，然后从每一块水果上取芯样，用去离子水冲洗掉所有的污垢和碎片。接下来，他们将样品放入聚四氟乙烯高压釜中，在180℃下加热10h，在夜间冷却，然后对样品进行漂洗和冻干。为了使冻干的样品碳化，他们在800℃的炉子里加热1h，得到了“黑色、多孔、超轻”的气凝胶。
将榴莲果实制成碳气凝胶的示意过程
该研究小组使用这些气凝胶来制造电极，然后对它们进行测试，以评估它们储存能量的能力。他们发现，榴莲和菠萝蜜废料都产生了具有优异储能性能的气凝胶。榴莲基气凝胶的性能略优于菠萝蜜气凝胶，这是因为榴莲基碳气凝胶的孔隙率和表面积比菠萝蜜基气凝胶大得多。两者都提供了与当前用于储能的活性炭超级电容器性能相当且更经济的替代品。
他们进一步表示，面对世界上矿物燃料的迅速消耗，必须尽快发现使用可持续来源的材料，且利用科学的生产方法来创建环境友好的能量储存方式。这一发现，证实了来源于自然的纯天然超级电容器电极材料性能卓越，且价格便宜，并或可替代传统电极材料实现大规模应用，这无疑将持续引领开发高效储能设备的道路。