中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，南開大學(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”（Rechargeable Room-Temperature Na-CO2 Batteries）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。
圖1 鈉—二氧化碳（Na-CO2）電池結(jié)構(gòu)及反應(yīng)
“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)1100 Wh/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（圖1）。
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4000 mAh/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)”（Rechargeable first for promising battery tech）作為亮點(diǎn)報(bào)道。
