鋰二氧化碳電池的能量密度是鋰離子電池的7倍以上。此外，鋰二氧化碳電池能夠在輸出電能的同時(shí)將二氧化碳固定為碳酸鹽和碳，因而具有儲能和固碳的雙重優(yōu)勢。
經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，推動著世界對各類能源的龐大需求。
在當(dāng)今能源格局中，化石能源仍占據(jù)主要地位，但大量、持續(xù)的化石能源消耗，也導(dǎo)致了大量的二氧化碳?xì)怏w的排放。
一方面，化石能源屬于非可再生能源，終將面臨不可避免的能源枯竭問題;另一方面，溫室效應(yīng)的不斷加劇，也迫使各國尋求一種可持續(xù)的綠色能源。
在新能源電池領(lǐng)域，鋰二氧化碳電池似乎是個(gè)“一舉兩得”之法。
近日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)，通過探究多組分協(xié)同傳輸對鋰二氧化碳電池的作用規(guī)律，為下一代鋰二氧化碳電池的發(fā)展提供了調(diào)控策略。
相關(guān)成果日前發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》。
能量密度是鋰離子電池的7倍
鋰二氧化碳電池是一種新型鋰離子電池，普遍認(rèn)為是儲能領(lǐng)域的重要技術(shù)。
一般而言，鋰二氧化碳電池的工作原理是當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰離子從電池正極經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中。因此，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
同樣道理，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
1985年，諾貝爾化學(xué)獎獲得者吉野彰首次制作了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的二次鋰離子電池。1991年，索尼公司開始大規(guī)模生產(chǎn)商用鋰離子電池。同時(shí)，為了滿足更多設(shè)備和約束條件下的使用要求，鋰電先驅(qū)塔拉斯孔等人開始研究鋰氧電池，隨后的鋰二氧化碳電池，正是在鋰氧電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
鋰二氧化碳電池的能量密度是鋰離子電池的7倍以上。此外，鋰二氧化碳電池能夠在輸出電能的同時(shí)將二氧化碳固定為碳酸鹽和碳，因而具有儲能和固碳的雙重優(yōu)勢。
作為一種具備極大發(fā)展?jié)摿Φ目沙潆婋姵兀嚩趸茧姵乇热萘繕O高，但是目前還處于發(fā)展的初級階段。影響鋰二氧化碳電池效能的因素有很多，包括電池的正負(fù)極材料、電解質(zhì)等。
尋找高電壓的來源
此前普遍認(rèn)為，鋰二氧化碳電池的工作電位和鋰氧電池相似，在2.6伏左右。但緩慢的二氧化碳還原反應(yīng)是否真的能夠媲美更活潑的氧氣還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生高電壓?
談鵬團(tuán)隊(duì)搭建了一種電化學(xué)測試平臺，使電池中的活性氣體流動起來，確保了純凈的二氧化碳環(huán)境。碳電極、催化劑負(fù)載的碳電極及非碳電極均表明鋰二氧化碳電池的工作電壓為約1.1伏，且二氧化碳還原反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于氧還原反應(yīng)。經(jīng)產(chǎn)物測試分析，研究團(tuán)隊(duì)提出約1.1伏電壓下的放電產(chǎn)物為晶態(tài)、非晶態(tài)碳酸鋰以及非晶態(tài)碳的混合物，肯定了四電子轉(zhuǎn)移機(jī)制(鋰二氧化碳電池從正極至負(fù)極的電荷遷移中包含4個(gè)電子)。研究表明，部分研究中所呈現(xiàn)的透射電子顯微鏡(TEM)圖像很可能不是自然放電產(chǎn)物，而是電子束誘導(dǎo)的物質(zhì)形態(tài)。
為尋找高電壓產(chǎn)生的原因，研究團(tuán)隊(duì)將電壓平臺提升至1.8—2.0伏，放電產(chǎn)物中并沒有檢測到氫氧化鋰、氧化鋰等副產(chǎn)物。然而，所產(chǎn)生碳酸鋰的形貌和結(jié)晶度卻有明顯差異。氧氣和水通過改變碳酸鋰的生成路徑降低能量勢壘，并且有效緩解電極鈍化，從而加快反應(yīng)速率。隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過模擬先前報(bào)道中靜態(tài)封存二氧化碳的測試方法，成功復(fù)刻出了2.6伏的電壓平臺，發(fā)現(xiàn)鋰源產(chǎn)物仍然為單一的碳酸鋰。
這項(xiàng)研究重新定位了下一代鋰二氧化碳電池的發(fā)展和應(yīng)用方向：一方面，進(jìn)行純二氧化碳環(huán)境下的機(jī)理研究，開發(fā)相適配的組件如催化劑、電解質(zhì)和電極，而不是復(fù)制先前的研究或鋰氧電池;另一方面，面向大規(guī)模廢氣處理或深空探測，開發(fā)環(huán)境氣體輔助的二氧化碳基電池。
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