鋰二氧化碳電池未來發展方向或被重新定義
2023-02-16 08:37 作者：吳長鋒 來源：科技日報 閱覽：
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勢。
經濟的飛速發展，推動著世界對各類能源的龐大需求。
在當今能源格局中，化石能源仍占據主要地位，但大量、持續的化石能源消耗，也導致了大量的二氧化碳氣體的排放。
一方面，化石能源屬於非可再生能源，終將面臨不可避免的能源枯竭問題；另一方面，溫室效應的不斷加劇，也迫使各國尋求一種可持續的綠色能源。
在新能源電池領域，鋰二氧化碳電池似乎是個「一舉兩得」之法。
近日，記者從中國科學技術大學瞭解到，該校工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬團隊，通過探究多組分協同傳輸對鋰二氧化碳電池的作用規律，為下一代鋰二氧化碳電池的發展提供了調控策略。
相關成果日前發表於國際著名學術期刊《美國科學院院刊》。
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，普遍認為是儲能領域的重要技術。
一般而言，鋰二氧化碳電池的工作原理是當對電池進行充電時，鋰離子從電池正極經過電解液運動到負極。作為負極的碳呈層狀結構，有很多微孔，到達負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，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。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，諾貝爾化學獎獲得者吉野彰首次製作了第一個現代意義上的二次鋰離子電池。1991年，新力公司開始大規模生產商用鋰離子電池。同時，為了滿足更多設備和約束條件下的使用要求，鋰電先驅塔拉斯孔等人開始研究鋰氧電池，隨後的鋰二氧化碳電池，正是在鋰氧電池的基礎上發展起來的。
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勢。
作為一種具備極大發展潛力的可充電電池，鋰二氧化碳電池比容量極高，但是目前還處於發展的初級階段。影響鋰二氧化碳電池效能的因素有很多，包括電池的正負極材料、電解質等。
尋找高電壓的來源
此前普遍認為，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是否真的能夠媲美更活潑的氧氣還原反應，從而產生高電壓？
談鵬團隊搭建了一種電化學測試平台，使電池中的活性氣體流動起來，確保了純淨的二氧化碳環境。碳電極、催化劑負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速率遠低于氧還原反應。經產物測試分析，研究團隊提出約1.1伏電壓下的放電產物為晶態、非晶態碳酸鋰以及非晶態碳的混合物，肯定了四電子轉移機制（鋰二氧化碳電池從正極至負極的電荷遷移中包含4個電子）。研究表明，部分研究中所呈現的透射電子顯微鏡（TEM）圖像很可能不是自然放電產物，而是電子束誘導的物質形態。
為尋找高電壓產生的原因，研究團隊將電壓平台提昇至1.8—2.0伏，放電產物中並沒有檢測到氫氧化鋰、氧化鋰等副產物。然而，所產生碳酸鋰的形貌和結晶度卻有明顯差異。氧氣和水通過改變碳酸鋰的生成路徑降低能量勢壘，並且有效緩解電極鈍化，從而加快反應速率。隨後，研究團隊通過模擬先前報道中靜態封存二氧化碳的測試方法，成功復刻出了2.6伏的電壓平台，發現鋰源產物仍然為單一的碳酸鋰。
這項研究重新定位了下一代鋰二氧化碳電池的發展和應用方向：一方面，進行純二氧化碳環境下的機理研究，開發相適配的組件如催化劑、電解質和電極，而不是複製先前的研究或鋰氧電池；另一方面，面向大規模廢氣處理或深空探測，開發環境氣體輔助的二氧化碳基電池。（記者 吳長鋒）
經濟的飛速發展，推動著世界對各類能源的龐大需求。
在當今能源格局中，化石能源仍占據主要地位，但大量、持續的化石能源消耗，也導致了大量的二氧化碳氣體的排放。
一方面，化石能源屬於非可再生能源，終將面臨不可避免的能源枯竭問題；另一方面，溫室效應的不斷加劇，也迫使各國尋求一種可持續的綠色能源。
在新能源電池領域，鋰二氧化碳電池似乎是個「一舉兩得」之法。
近日，記者從中國科學技術大學瞭解到，該校工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬團隊，通過探究多組分協同傳輸對鋰二氧化碳電池的作用規律，為下一代鋰二氧化碳電池的發展提供了調控策略。
相關成果日前發表於國際著名學術期刊《美國科學院院刊》。
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，普遍認為是儲能領域的重要技術。
一般而言，鋰二氧化碳電池的工作原理是當對電池進行充電時，鋰離子從電池正極經過電解液運動到負極。作為負極的碳呈層狀結構，有很多微孔，到達負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，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。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，諾貝爾化學獎獲得者吉野彰首次製作了第一個現代意義上的二次鋰離子電池。1991年，新力公司開始大規模生產商用鋰離子電池。同時，為了滿足更多設備和約束條件下的使用要求，鋰電先驅塔拉斯孔等人開始研究鋰氧電池，隨後的鋰二氧化碳電池，正是在鋰氧電池的基礎上發展起來的。
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勢。
作為一種具備極大發展潛力的可充電電池，鋰二氧化碳電池比容量極高，但是目前還處於發展的初級階段。影響鋰二氧化碳電池效能的因素有很多，包括電池的正負極材料、電解質等。
尋找高電壓的來源
此前普遍認為，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是否真的能夠媲美更活潑的氧氣還原反應，從而產生高電壓？
談鵬團隊搭建了一種電化學測試平台，使電池中的活性氣體流動起來，確保了純淨的二氧化碳環境。碳電極、催化劑負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速率遠低于氧還原反應。經產物測試分析，研究團隊提出約1.1伏電壓下的放電產物為晶態、非晶態碳酸鋰以及非晶態碳的混合物，肯定了四電子轉移機制（鋰二氧化碳電池從正極至負極的電荷遷移中包含4個電子）。研究表明，部分研究中所呈現的透射電子顯微鏡（TEM）圖像很可能不是自然放電產物，而是電子束誘導的物質形態。
為尋找高電壓產生的原因，研究團隊將電壓平台提昇至1.8—2.0伏，放電產物中並沒有檢測到氫氧化鋰、氧化鋰等副產物。然而，所產生碳酸鋰的形貌和結晶度卻有明顯差異。氧氣和水通過改變碳酸鋰的生成路徑降低能量勢壘，並且有效緩解電極鈍化，從而加快反應速率。隨後，研究團隊通過模擬先前報道中靜態封存二氧化碳的測試方法，成功復刻出了2.6伏的電壓平台，發現鋰源產物仍然為單一的碳酸鋰。
這項研究重新定位了下一代鋰二氧化碳電池的發展和應用方向：一方面，進行純二氧化碳環境下的機理研究，開發相適配的組件如催化劑、電解質和電極，而不是複製先前的研究或鋰氧電池；另一方面，面向大規模廢氣處理或深空探測，開發環境氣體輔助的二氧化碳基電池。（記者 吳長鋒）
