中國經(jīng)濟導報中國發(fā)展網(wǎng)馬超記者王敏報道近日，南開大學化學學院陳軍教授團隊在利用CO2呼吸的室溫可充鈉—二氧化碳電池領(lǐng)域取得突破性進展，相關(guān)研究成果以“可充室溫鈉-二氧化碳電池”(RechargeableRoom-TemperatureNa-CO2Batteries)為題，在《德國應(yīng)用化學》(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,6482-6486)上發(fā)表，陳軍為通訊作者。

“可呼吸”電池的初級版本是鋰-氧氣電池，它以金屬鋰作負極，正極為由碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構(gòu)成的空氣電極，放電時從空氣中獲取氧氣，充電時再放出氧氣，因此被譽為“可呼吸”電池。鋰-氧氣電池的研究是當今新能源領(lǐng)域的熱點和難點，國內(nèi)外許多高校和研究機構(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，增加了實驗過程中的安全性，同時，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“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。

雖然科學家們對金屬—二氧化碳電池進行了艱難的探索，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—氣體電池不僅存在氣-液-固三相電池結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計上的困難，同時還在正極催化劑的設(shè)計和選擇，如何降低電極極化，金屬負極的保護，電解液組分和添加劑的優(yōu)化選擇等方面存在諸多科學技術(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，如動物及人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發(fā)電尾氣及火星探測等廣大領(lǐng)域，提供穩(wěn)定的能量源泉。

針對廣闊的海水和豐富的鹽湖的廉價鈉資源，同時尋求探索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，通過理論計算發(fā)現(xiàn)Na-CO2電池體系具有高達1100Wh/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現(xiàn)可逆充放電反應(yīng)，放電時吸收二氧化碳，充電時放出二氧化碳，被稱為可呼吸鈉-二氧化碳電池。該研究以鈉金屬片為負極，四甘醇二甲醚(TEGDME)處理過的多壁碳納米管(MWCNT)為正極，構(gòu)架了一個具有優(yōu)異性能的Na-CO2電池。

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率、對Na金屬穩(wěn)定、難揮發(fā)等特點。正極方面，使用化學修飾的多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有獨特的三維結(jié)構(gòu)的氣體電極不僅具有極高的離子/電子傳導、高效選擇性的催化活性和充足的放電產(chǎn)物儲存空間，而且處理過的電極具有極好的電解液潤濕性，有效降低電池的極化作用，體現(xiàn)出大容量儲電能力。室溫下，該電池體系可以循環(huán)200次而無明顯衰減，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4000mAh/g的可逆比容量，說明此電池具有良好的高倍率放電性能，可實現(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。

該研究得到了國家自然科學基金和教育部的資助。文章發(fā)表后，英國皇家化學會ChemistryWorld以“首次可充的有前途電池技術(shù)”(Rechargeablefirstforpromisingbatterytech)作為亮點報道。