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鈉—二氧化碳電池取得的突破性進(jìn)展

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1445次  |  2018年12月07日  

中國(guó)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)中國(guó)發(fā)展網(wǎng)馬超記者王敏報(bào)道近日,南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳軍教授團(tuán)隊(duì)在利用CO2呼吸的室溫可充鈉—二氧化碳電池領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展,相關(guān)研究成果以“可充室溫鈉-二氧化碳電池”(RechargeableRoom-TemperatureNa-CO2Batteries)為題,在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,6482-6486)上發(fā)表,陳軍為通訊作者。

“可呼吸”電池的初級(jí)版本是鋰-氧氣電池,它以金屬鋰作負(fù)極,正極為由碳、貴金屬或過(guò)渡金屬氧化物等構(gòu)成的空氣電極,放電時(shí)從空氣中獲取氧氣,充電時(shí)再放出氧氣,因此被譽(yù)為“可呼吸”電池。鋰-氧氣電池的研究是當(dāng)今新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn),國(guó)內(nèi)外許多高校和研究機(jī)構(gòu)都致力于此。陳軍課題組在之前鋰-氧氣電池研究的基礎(chǔ)上,此次成功研發(fā)出鈉-二氧化碳電池,不僅原料豐富、制備方便,增加了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全性,同時(shí),二氧化碳作為溫室氣體,把二氧化碳變廢為寶、資源化利用,恰恰符合我國(guó)“十三五規(guī)劃”提出的“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”五大發(fā)展理念。

雖然科學(xué)家們對(duì)金屬—二氧化碳電池進(jìn)行了艱難的探索,但是始終未能有極大的突破,基本不能充電或者因循環(huán)少許周期后容量迅速衰退使得電池失效不能工作。主要原因是金屬—?dú)怏w電池不僅存在氣-液-固三相電池結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的困難,同時(shí)還在正極催化劑的設(shè)計(jì)和選擇,如何降低電極極化,金屬負(fù)極的保護(hù),電解液組分和添加劑的優(yōu)化選擇等方面存在諸多科學(xué)技術(shù)難題。因此,室溫可充金屬鈉—二氧化碳電池的研發(fā)具有重要意義。

金屬—二氧化碳(金屬=Li,Na,Mg,Al,Zn等)電池具有高比能量、高功率密度,除Li外,電極活性物質(zhì)廉價(jià)易得,特別是利用CO2作為活性材料產(chǎn)生電能,意味著該電池系統(tǒng)有望在CO2富集的地方,如動(dòng)物及人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發(fā)電尾氣及火星探測(cè)等廣大領(lǐng)域,提供穩(wěn)定的能量源泉。

針對(duì)廣闊的海水和豐富的鹽湖的廉價(jià)鈉資源,同時(shí)尋求探索CO2的新應(yīng)用,陳軍課題組在鈉—二氧化碳(Na-CO2)電池的研究中,通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)Na-CO2電池體系具有高達(dá)1100Wh/kg的理論比能量,且Na-CO2電池比Li-CO2等其他金屬——二氧化碳電池更容易實(shí)現(xiàn)可逆充放電反應(yīng),放電時(shí)吸收二氧化碳,充電時(shí)放出二氧化碳,被稱為可呼吸鈉-二氧化碳電池。該研究以鈉金屬片為負(fù)極,四甘醇二甲醚(TEGDME)處理過(guò)的多壁碳納米管(MWCNT)為正極,構(gòu)架了一個(gè)具有優(yōu)異性能的Na-CO2電池。

電解液方面,優(yōu)選后的高氯酸鈉/四甘醇二甲醚具有高離子電導(dǎo)率、對(duì)Na金屬穩(wěn)定、難揮發(fā)等特點(diǎn)。正極方面,使用化學(xué)修飾的多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)的氣體電極不僅具有極高的離子/電子傳導(dǎo)、高效選擇性的催化活性和充足的放電產(chǎn)物儲(chǔ)存空間,而且處理過(guò)的電極具有極好的電解液潤(rùn)濕性,有效降低電池的極化作用,體現(xiàn)出大容量?jī)?chǔ)電能力。室溫下,該電池體系可以循環(huán)200次而無(wú)明顯衰減,表現(xiàn)出很好的可逆充放電活性和穩(wěn)定性。在4A/g的大電流密度下仍有4000mAh/g的可逆比容量,說(shuō)明此電池具有良好的高倍率放電性能,可實(shí)現(xiàn)快速充放電。這些優(yōu)異的電池性能為在室溫下吸收CO2產(chǎn)生清潔電能源提供了新思路。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和教育部的資助。文章發(fā)表后,英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)ChemistryWorld以“首次可充的有前途電池技術(shù)”(Rechargeablefirstforpromisingbatterytech)作為亮點(diǎn)報(bào)道。

鉅大鋰電,22年專注鋰電池定制

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