新型“可呼吸”鈉-二氧化碳電池研制成功 新鋰—氧電池或可釋放全部?jī)?chǔ)能

• 2018年9月17日 FanTianQing來源：新浪網(wǎng)、網(wǎng)易科技 1012 64
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新型“可呼吸”鈉-二氧化碳電池研制成功。

據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，記者16日獲悉，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳軍院士課題組利用廉價(jià)碳酸鈉和碳納米管制備出無鈉預(yù)填裝“可呼吸”鈉-二氧化碳電池。相關(guān)成果成為《研究》創(chuàng)刊號(hào)首篇發(fā)表文章。

據(jù)介紹，“可呼吸”電池初級(jí)版本是鋰-氧電池，放電時(shí)從空氣中獲取氧氣，充電時(shí)再放出氧氣，因此被稱為“可呼吸”電池。由此衍生出的可充鈉-二氧化碳電池一般以金屬鈉為負(fù)極，碳等材料為正極，放電時(shí)從外界獲取二氧化碳，充電時(shí)再放出二氧化碳。與鋰-氧電池比，這類電池原料豐富、制備方便，還資源化利用二氧化碳?xì)怏w，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

目前鈉-二氧化碳電池開發(fā)存在一大難點(diǎn)：過量的金屬鈉負(fù)極容易形成枝晶，導(dǎo)致電池短路帶來安全隱患，且金屬鈉制備主要是通過電解熔融氯化鈉或氫氧化鈉，能耗污染大。陳軍課題組克服了碳酸鈉導(dǎo)電性差等難點(diǎn)，以溶解析出法在多壁碳納米管表面上制備出碳酸鈉廉價(jià)復(fù)合材料，并以此作正極，導(dǎo)電碳作負(fù)極，首次構(gòu)建出無鈉預(yù)填裝“可呼吸”鈉-二氧化碳電池。該電池通過對(duì)充電容量控制可成功抑制枝晶形成，安全性大大增強(qiáng)，經(jīng)測(cè)試在截容量為0.3mAh/cm2的條件下，循環(huán)100圈后仍能保證充電電壓低于4V，課題組已組裝出容量為350mAh、能量密度為183Wh/kg（基于整個(gè)電池質(zhì)量）的單體電池。

碳酸鈉在工業(yè)上制備容易，碳在自然界中廣泛存在，陳軍課題組研究成果避免了負(fù)極金屬鈉的預(yù)填裝，能有效降低電池的安全隱患，為安全電池設(shè)計(jì)提供了一種新思路。此外，火星大氣中含有95%的二氧化碳，這一無鈉預(yù)填裝“可呼吸”鈉-二氧化碳電池有望為火星探測(cè)提供一種潛在電化學(xué)能源系統(tǒng)。

相關(guān)閱讀：新鋰—氧電池或可釋放全部?jī)?chǔ)能

據(jù)英國(guó)《科學(xué)新聞》網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，加拿大科學(xué)家在日前出版的《科學(xué)》雜志上撰文指出，他們對(duì)鋰—氧電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，得到的新電池幾乎能將所有儲(chǔ)能全部釋放，且充放電次數(shù)達(dá)150次，未來有望為電動(dòng)汽車、潛艇等提供更可靠、更能源密集的電源。

與典型的鋰離子電池相比，鋰—氧電池的能量密度更大，且由更可持續(xù)的材料制成，但它仍未“飛入尋常百姓家”的主要原因在于其壽命不長(zhǎng)。

研究人員解釋，一般鋰—氧電池會(huì)形成過氧化鋰，且產(chǎn)生不需要的化學(xué)副產(chǎn)物，這會(huì)浪費(fèi)能源。因此，鋰—氧電池只能將約80%的儲(chǔ)能輸送給它所供電的設(shè)備。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料化學(xué)家拉里·柯蒂斯指出，這些化學(xué)物質(zhì)也會(huì)損壞電池的電解液和陰極，使其在充電幾十次后就“偃旗息鼓”。

為制造出更好的鋰—氧電池，滑鐵盧大學(xué)的化學(xué)家琳達(dá)·納扎爾及同事用無機(jī)熔鹽代替了常用的有機(jī)電解質(zhì)，用金屬基替代了標(biāo)準(zhǔn)的碳基陰極。在得到的新電池中，氧氣與鋰形成氧化鋰，可以比生成過氧化鋰多儲(chǔ)存50%的能量。更重要的是，氧化鋰不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)副產(chǎn)物，這使新的鋰—氧電池幾乎能將所有儲(chǔ)能釋放給其他設(shè)備，而且比其他鋰—氧電池充電次數(shù)更多。

柯蒂斯說，新電池未來有望用于為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，但在實(shí)際應(yīng)用之前還有很長(zhǎng)的路要走，“因?yàn)樾码姵乇仨毤訜岬街辽?50℃才能工作”。

麻省理工學(xué)院能源和材料研究員楊紹恩（音譯）評(píng)論稱，改變電解液中的物質(zhì)或許可降低電池的工作溫度，新鋰—氧電池還可作為飛機(jī)、航天器和潛艇的緊湊型電源。

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