肯塔基州生产了全球约 95% 的波本威士忌，与之相伴的是巨量的酿造副产品——酒糟。这些在生产过程中产生的湿润废弃谷物长期以来都是一项棘手的环境与资源利用问题。如今，肯塔基大学的研究团队开发出一套新工艺，可以将这些酒糟转化为电极材料，用于制造性能优于同等尺寸商业产品的超级电容器。相关成果将于 2026 年 3 月 22 日至 26 日在亚特兰大举行的美国化学学会春季会议（ACS Spring 2026）上进行展示。

从威士忌废弃物到碳电极

即将汇报这一研究的研究生 Josiel Barrios Cossio 最初是在参与一个聚焦肯塔基州食品、能源和水资源问题的科研培训项目时，意识到美国威士忌废弃物规模之大。他指出：“按最终产出的波本威士忌体积来算，产生的酒糟废弃物大约是其 6 到 10 倍，这确实是个大问题。”

酒糟是一种含水量很高的谷物浆，通常被卖给农场用作牲畜饲料或土壤改良剂。但在湿态下运输不便，而将其干燥又需要高昂的能耗和成本。

团队提出的替代方案，是利用一种称为水热碳化的技术，直接将这种稀浆状酒糟转化为更有价值的碳材料。这一过程类似在高压下“高强度压力烹饪”。Barrios Cossio 解释说：“我们可以直接利用高含水量的酒糟分散液，把原本的劣势变成工艺上的优势。”

研究团队之所以关注碳材料，是因为它们是制造超级电容器电极的理想候选。超级电容器是一类重要的储能装置，而水热碳化技术可以将植物性废弃物转化为适用于电极的碳材料。此前已有研究表明，玉米纤维等农业副产品可以通过加热转化为碳材料，但这一方法尚未被系统应用于波本威士忌酒糟——这种原料由多种谷物混合而成（其中玉米必须占一定比例）。

在此背景下，Barrios Cossio 与项目负责人、肯塔基大学化学家 Marcelo Guzman 合作，尝试将当地酿酒厂产生的酒糟废弃物转化为超级电容器电极材料。

建立酿酒厂合作与制备流程

研究的第一步是与酿酒厂业主建立联系和信任，争取进入生产现场采集样品并开展实验。Barrios Cossio 回忆说，需要先说服对方允许研究人员“进厂拿点东西，做些有趣的尝试”。目前，肯塔基大学的化学家已经与肯塔基州、伊利诺伊州以及加拿大的多家酿酒厂建立合作，获取它们的酒糟废弃物作为原料。

在实验室中，团队将湿润的酒糟投入一个 10 升反应器中，在加热和加压条件下进行水热碳化处理，最终得到一种细腻的黑色粉末。随后，这种粉末会被进一步热处理：

• 在约 392°F（200°C）的炉温下单独加热，可得到硬碳；
• 或与氢氧化钾混合后加热至约 1472°F（800°C），则可制备出活性炭。

硬碳在结构上类似石墨，但其碳层堆叠更为无序，这种结构有利于吸附更多锂离子，从而提升储能能力。活性炭则具有极高的孔隙率，拥有巨大的内部比表面积，可以在其孔道中储存大量电荷和能量。

超级电容器性能验证

作为概念验证，团队首先利用酒糟衍生的活性炭电极，组装了双电层电容器：在两片活性炭电极之间夹入液态电解质，制成硬币大小的超级电容器。在测试中，这些装置的能量密度可达每公斤 48 瓦时，已经与市售同类产品相当。

研究人员进一步尝试构建混合锂离子超级电容器，这类装置旨在兼具电容器的快速充放电特性和电池的高能量密度。他们制备的器件由两种不同功能的电极组成：

• 一侧为电容器型活性炭电极；
• 另一侧为电池型硬碳电极；

两种电极均掺入锂离子。测试结果显示，这些基于酒糟的混合锂离子超级电容器，其单位质量储能量是传统版本的 25 倍。

这也是首次利用同一种农业废弃物来源，制备出两种不同类型电极并构建锂离子超级电容器的案例。Barrios Cossio 表示：“对我来说，能用这种废弃物做出混合型器件是一个非常重要的发现。混合装置本身并不常见，也并不容易制备。”

向商业化应用推进

接下来，研究团队计划深入研究酒糟衍生超级电容器的储能机理，以便为未来的商业化优化提供依据。他们的长期目标是开发更大尺寸的超级电容器，使这项技术在可再生能源占比不断提高的背景下，为电网稳定提供帮助。

在更近一步的工作中，团队还将开展生命周期分析，以及经济性和技术可行性评估，以系统评估将酿酒废弃物转化为储能设备的可持续性。

总体而言，研究人员对与德国耶拿弗里德里希·席勒大学 Andrea Balducci 团队的合作感到振奋，这一合作为本地产业废弃物问题提供了一个可行的原型解决方案。Guzman 总结说：“这个项目让我们有机会与本州的产业界建立联系，针对现实问题提出解决思路，这一点非常难得。”