南开大学“可呼吸”钠-二氧化碳电池取得突破性进展 

2016年07月15日18:08  来源:人民网-天津频道
 

图1 钠—二氧化碳(Na-CO2)电池结构及反应

人民网天津7月15日电 (记者朱虹)近日,南开大学化学学院陈军教授团队在利用CO2呼吸的室温可充钠-二氧化碳电池领域取得突破性进展,相关研究成果以“可充室温钠-二氧化碳电池”(Rechargeable Room-Temperature Na-CO2 Batteries)为题,在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 6482-6486)上发表,陈军为通讯作者。

“可呼吸”电池的初级版本是锂-氧气电池,它以金属锂作负极,正极为由碳、贵金属或过渡金属氧化物等构成的空气电极,放电时从空气中获取氧气,充电时再放出氧气,因此被誉为“可呼吸”电池。锂-氧气电池的研究是当今新能源领域的热点和难点,国内外许多高校和研究机构都致力于此。陈军课题组在之前锂-氧气电池研究的基础上,此次成功研发出钠-二氧化碳电池,不仅原料丰富、制备方便,增加了实验过程中的安全性,同时,二氧化碳作为温室气体,把二氧化碳变废为宝、资源化利用,恰恰符合我国“十三五规划”提出的“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念。

虽然科学家们对金属—二氧化碳电池进行了艰难的探索,但是始终未能有极大的突破,基本不能充电或者因循环少许周期后容量迅速衰退使得电池失效不能工作。主要原因是金属—气体电池不仅存在气-液-固三相电池结构和系统设计上的困难,同时还在正极催化剂的设计和选择,如何降低电极极化,金属负极的保护,电解液组分和添加剂的优化选择等方面存在诸多科学技术难题。因此,室温可充金属钠—二氧化碳电池的研发具有重要意义。

金属—二氧化碳(金属 = Li,Na,Mg,Al,Zn等)电池具有高比能量、高功率密度,除Li外,电极活性物质廉价易得,特别是利用CO2作为活性材料产生电能,意味着该电池系统有望在CO2富集的地方,如动物及人类聚集地、汽车尾气、燃煤发电尾气及火星探测等广大领域,提供稳定的能量源泉。

针对广阔的海水和丰富的盐湖的廉价钠资源,同时寻求探索CO2的新应用,陈军课题组在钠—二氧化碳(Na-CO2)电池的研究中,通过理论计算发现Na-CO2电池体系具有高达1100 Wh/kg的理论比能量,且Na-CO2电池比Li -CO2等其他金属——二氧化碳电池更容易实现可逆充放电反应,放电时吸收二氧化碳,充电时放出二氧化碳,被称为可呼吸钠-二氧化碳电池。该研究以钠金属片为负极,四甘醇二甲醚(TEGDME)处理过的多壁碳纳米管(MWCNT)为正极,构架了一个具有优异性能的Na-CO2电池(图1)。

电解液方面,优选后的高氯酸钠/四甘醇二甲醚具有高离子电导率、对Na金属稳定、难挥发等特点。正极方面,使用化学修饰的多孔三维网络结构,具有独特的三维结构的气体电极不仅具有极高的离子/电子传导、高效选择性的催化活性和充足的放电产物储存空间,而且处理过的电极具有极好的电解液润湿性,有效降低电池的极化作用,体现出大容量储电能力。室温下,该电池体系可以循环200次而无明显衰减,表现出很好的可逆充放电活性和稳定性。在4A/g的大电流密度下仍有4000 mAh/g的可逆比容量,说明此电池具有良好的高倍率放电性能,可实现快速充放电。这些优异的电池性能为在室温下吸收CO2产生清洁电能源提供了新思路。

该研究得到了国家自然科学基金和教育部的资助。文章发表后,英国皇家化学会ChemistryWorld以“首次可充的有前途电池技术”(Rechargeable first for promising battery tech)作为亮点报道。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201602504/epdf

(责编:张静淇、魏炳锋)

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