從椰殼到苧麻稈，生物炭成超級電容器的“黃金”原料

生物炭因其性質特殊，用途廣泛，已成為多學科領域研究的焦點，同時生物炭與能源、農業、環境和可持續發展息息相關，可促進“炭-碳”轉化。

苧麻，一種天然的紡織材料。在楊維清眼里，它還能制備活性炭電極，并應用于超級電容器。

楊維清是西南交通大學（以下簡稱西南交大）材料科學與工程學院的教授，長期從事先進儲能材料和器件的研究。從2015年起，他盯上了這一株“千年不爛軟黃金”，開啟了基于苧麻炭的超級電容器產業化研究。

如今，苧麻炭成果已走出實驗室，準備走上生產線。楊維清也找到了投資伙伴，錨定實現商業化生產的最終目標進軍。


1、從椰殼到苧麻稈

相比傳統電容器，超級電容器通常具有更高的能量密度和功率密度，且充放電速度快、循環壽命長，因此被廣泛應用于地鐵動能回收、新能源城市交通、航空航天等諸多領域。

“決定超級電容能量密度的關鍵就是電極材料。”楊維清打了個比方，“就像決定了建的房子能裝多少人。”因此，活性炭由于具有比表面積大、孔隙結構可調整，且化學穩定性好和成本低等優勢，成為超級電容器的首選電極材料，用于吸附電荷來儲存能量。

椰殼，則作為原材料，被廣泛用于制備電容活性炭。但這一技術和規模化生產線一直被國外企業牢牢握在手中，是我國超級電容發展的一大“卡脖子”問題。

“蜀麻吳鹽自古通，萬斛之舟行若風。”自古以來，四川產的苧麻一直遠近聞名，于多地流通，其中大竹縣產的苧麻久負盛名。對于從小生活在大竹的楊維清來說，每年長三季、能躥兩米高的苧麻是再熟悉不過的家鄉特產。

“苧麻和椰殼都是生物質，苧麻是否也可以用于電極材料的制備？”2015年，當這一想法在楊維清腦中蹦出后，他便著手展開研究。

苧麻麻稈具有灰分低、含碳量高的特點,是制備高比表面積活性炭的理想原材料。“而且苧麻纖維素含量較高，纖維取向有序，具有疏松多孔的特點，比椰殼制備的活性炭能夠更好地儲能。”楊維清團隊成員羅淇天介紹。

“家鄉苧麻滿地，尤其是苧麻稈，都沒人要，燒了還污染環境。”楊維清從老鄉們手中收來的廢棄苧麻稈，搖身一變成了高附加值的先進材料。


2、試錯的過程

楊維清課題組的實驗室里，一臺高溫管式爐見證了苧麻炭制備研究的起點。

根據一系列的實驗要求，楊維清和團隊在不斷試驗中，摸索出了一套包含30多道工藝的制備方法。苧麻經去皮或碎稈后，不僅要進行炭化和活化處理，而且還要經歷除鐵、酸洗、漂洗、過濾等純化流程。而最為關鍵的炭化工藝，主要就在高溫管式爐中完成。“在氬氣環境下，設置一定的參數對苧麻進行燜燒。”

實驗階段，楊維清成功研發并測試出想要的活性材料，但產量只有100克。要實現材料規模化生產，應用于儲能器件，制成電容產品，并最終進入銷售流通環節，還有很長的一條路要走。其中，最重要的就是中試環節。

在學院內，楊維清逐步搭建起一條年產5公斤的超容炭中試線。“這是一個不斷試錯的過程，不只是技術工藝上的不斷改進。”

因為是制備新材料，市面上沒有標準化的生產設備，所以楊維清得自己動手改裝類似的裝置。“像高溫水蒸氣活化的鍋爐，前后換了四個，因為之前的流量和溫度不能達到工藝要求。”目前使用的鍋爐，也有楊維清的“改造”痕跡：連接管道被纏上了一圈又一圈的加熱帶，避免溫度的流失。

公斤級別的苧麻炭制備實現后，楊維清把目標產量瞄向了“噸”。一開始他有點野心，直接就謀劃了年產300噸級別的生產線，但資金風險和實驗風險太高，最后不得已而放棄了。

“實際操作中我才發現，風險極高，光設備的投入一年都得5000萬元，如果不合適要改又是一筆支出，太‘燒錢’了。”楊維清將目標縮小至“年產30至60噸”的中試線，尊重科研規律的同時，又能合理規劃投入的時間和資金。

在苧麻炭研究起步沒多久，西南交大就進行了一場“職務科技成果權屬混合所有制改革”，先后出臺了《西南交通大學專利管理規定》和《西南交通大學無形資產管理辦法》。前者使得科研人員從一開始就和所在單位共享了成果的所有權，后者則規定校內職務科技成果不再納入國有無形資產管理清單，而由學校科研管理部門作為成果管理，因此打破了高校成果“不愿轉”“不敢轉”的局面。

乘著政策的東風，楊維清確定了年產30噸級中試生產線目標后，也遇到了滿意的合作對象。

2021年1月，楊維清團隊“高比能超級電容器關鍵材料與器件制備工藝系列技術”所涉及的9項職務發明，按照學校和科研團隊3∶7的比例完成知識產權分割確權后，以1388余萬元的估值作價入股四川一家科技企業。其中，學校30%的知識產權由該公司出資416.574萬元購買。

整個轉化過程也不復雜，無須上報學校國資處、校長辦公會和黨委常委會審批，只需在西南交大科學技術發展研究院網站上完成公示即可。


3、專業的人做專業的事

目前，楊維清及其團隊在學校完成公斤級苧麻炭制備后，再送往合作公司位于成都龍泉驛區的廠區，作商用型的軟包和圓柱超級電容器，并進行性能測試分析。這一條半自動化的封測中試生產線已經運行了快兩年，流程中各項工藝已經成熟，如今正處在各項設備的“磨合”階段。

廠區預留的一塊2000多平方米的空地上，楊維清已有了謀劃：搭建那條年產30至60噸的苧麻炭制備中試生產線，包括材料和器件的試驗，而相關技術路線的調研論證現已順利結束。

“和我合作的這家企業，以前主營印刷業務，現已停產。”楊維清解釋，二代掌舵者接手后，一心想讓公司轉型，而自己又正好在找投資，所以兩人一拍即合。

楊維清最看重的，是雙方理念的契合。“其他投資者就只想投錢，產品研發、銷售等都要我來組建團隊，可管理并不是我的專長。”這家老板只讓楊維清管技術，產品后期的業務根本不用他操心。同時，楊維清也看中了公司的實力：背靠涉足多個領域的家族企業，抗風險能力較強。

“實事求是，專業的人就做專業的事。”楊維清給自己提出了“三不一結”的要求，即“不當法人，不參與控股，不過早想預期分紅，且一事一結”。“雖然目前苧麻炭項目我仍有持股，但占比較少，未來其他項目我還是會堅持‘三不’原則，不想在科研上分心，也不想過分夸大自己的作用。”

楊維清給自己定義為“科研代工”的角色，只做技術委托開發。“‘一事一結’，我和團隊只為企業解決科技問題，我們拿我們該拿的，至于拿多少，就由雙方協商評估我們的智力、人力和時間投入。”

曾經的他，和投資者談判時，也抱著一腔“不甘心”：這是我的技術，我要控股，我要絕對的話語權。2017年的不停碰壁，才讓他意識到科學家和企業家各自擁有不同的固有屬性，兼容很難。對一個產品起決定性作用的，不只是技術本身。

當時楊維清手握技術，找來一幫同學自己干，想控股實體企業。四處奔波，投資一直不到位。窮途末路之時，一家做精密軋機的企業找上門，求購楊維清的技術，應用于產品的無線監測系統。“雖然完全打破了此前的計劃，但成果‘賣出去了’，項目和課題組都活下來了。”楊維清一下子嘗到了甜頭。

生物炭是在缺氧條件（即熱解）下將生物質進行高溫處理，同時生物質中的油和氣燃燒掉，從而獲得類木炭碳產物。生物炭幾乎是純碳，埋到地下后可以有幾百至上千年不會消失，等于把碳封存進了土壤，有助于減緩全球變暖，具有改善農業的價值，可作為水過濾和毒素修復應用中的一種活性炭。

來自各種原料的生物炭非常適合用作超級電容器電極和鋰離子電池負極材料。通過提高孔密度、改變形貌以及用雜原子摻雜材料，可以提高性能。關鍵是將實驗室規模生產的生物炭擴大到工業規模生產，同時保持其質量。生物炭可以作為一種重要的可持續工程碳，有助于解決未來的能源儲存需求。