新型“可呼吸”钠-二氧化碳电池研制成功 新锂—氧电池或可释放全部储能

据科技日报报道，记者16日获悉，南开大学化学学院陈军院士课题组利用廉价碳酸钠和碳纳米管制备出无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池。相关成果成为《研究》创刊号首篇发表文章。

据介绍，“可呼吸”电池初级版本是锂-氧电池，放电时从空气中获取氧气，充电时再放出氧气，因此被称为“可呼吸”电池。由此衍生出的可充钠-二氧化碳电池一般以金属钠为负极，碳等材料为正极，放电时从外界获取二氧化碳，充电时再放出二氧化碳。与锂-氧电池比，这类电池原料丰富、制备方便，还资源化利用二氧化碳气体，实现绿色可持续发展。

目前钠-二氧化碳电池开发存在一大难点：过量的金属钠负极容易形成枝晶，导致电池短路带来安全隐患，且金属钠制备主要是通过电解熔融氯化钠或氢氧化钠，能耗污染大。陈军课题组克服了碳酸钠导电性差等难点，以溶解析出法在多壁碳纳米管表面上制备出碳酸钠廉价复合材料，并以此作正极，导电碳作负极，首次构建出无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池。该电池通过对充电容量控制可成功抑制枝晶形成，安全性大大增强，经测试在截容量为0.3mAh/cm2的条件下，循环100圈后仍能保证充电电压低于4V，课题组已组装出容量为350mAh、能量密度为183Wh/kg（基于整个电池质量）的单体电池。

碳酸钠在工业上制备容易，碳在自然界中广泛存在，陈军课题组研究成果避免了负极金属钠的预填装，能有效降低电池的安全隐患，为安全电池设计提供了一种新思路。此外，火星大气中含有95%的二氧化碳，这一无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池有望为火星探测提供一种潜在电化学能源系统。

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据英国《科学新闻》网站近日报道，加拿大科学家在日前出版的《科学》杂志上撰文指出，他们对锂—氧电池进行了重新设计，得到的新电池几乎能将所有储能全部释放，且充放电次数达150次，未来有望为电动汽车、潜艇等提供更可靠、更能源密集的电源。

与典型的锂离子电池相比，锂—氧电池的能量密度更大，且由更可持续的材料制成，但它仍未“飞入寻常百姓家”的主要原因在于其寿命不长。

研究人员解释，一般锂—氧电池会形成过氧化锂，且产生不需要的化学副产物，这会浪费能源。因此，锂—氧电池只能将约80%的储能输送给它所供电的设备。美国阿贡国家实验室材料化学家拉里·柯蒂斯指出，这些化学物质也会损坏电池的电解液和阴极，使其在充电几十次后就“偃旗息鼓”。

为制造出更好的锂—氧电池，滑铁卢大学的化学家琳达·纳扎尔及同事用无机熔盐代替了常用的有机电解质，用金属基替代了标准的碳基阴极。在得到的新电池中，氧气与锂形成氧化锂，可以比生成过氧化锂多储存50%的能量。更重要的是，氧化锂不会产生化学副产物，这使新的锂—氧电池几乎能将所有储能释放给其他设备，而且比其他锂—氧电池充电次数更多。

柯蒂斯说，新电池未来有望用于为电动汽车提供动力，但在实际应用之前还有很长的路要走，“因为新电池必须加热到至少150℃才能工作”。

麻省理工学院能源和材料研究员杨绍恩（音译）评论称，改变电解液中的物质或许可降低电池的工作温度，新锂—氧电池还可作为飞机、航天器和潜艇的紧凑型电源。