锂二氧化碳电池未来发展方向或被重新定义

  经济的飞速发展，推动着世界对各类能源的庞大需求。

  在当今能源格局中，化石能源仍占据主要地位，但大量、持续的化石能源消耗，也导致了大量的二氧化碳气体的排放。

  一方面，化石能源属于非可再生能源，终将面临不可避免的能源枯竭问题;另一方面，温室效应的不断加剧，也迫使各国寻求一种可持续的绿色能源。

  在新能源电池领域，锂二氧化碳电池似乎是个“一举两得”之法。

  近日，记者从中国科学技术大学了解到，该校工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队，通过探究多组分协同传输对锂二氧化碳电池的作用规律，为下一代锂二氧化碳电池的发展提供了调控策略。

  相关成果日前发表于国际著名学术期刊《美国科学院院刊》。

  能量密度是锂离子电池的7倍

  锂二氧化碳电池是一种新型锂离子电池，普遍认为是储能领域的重要技术。

  一般而言，锂二氧化碳电池的工作原理是当对电池进行充电时，锂离子从电池正极经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中。因此，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

  同样道理，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

  1985年，诺贝尔化学奖获得者吉野彰首次制作了第一个现代意义上的二次锂离子电池。1991年，索尼公司开始大规模生产商用锂离子电池。同时，为了满足更多设备和约束条件下的使用要求，锂电先驱塔拉斯孔等人开始研究锂氧电池，随后的锂二氧化碳电池，正是在锂氧电池的基础上发展起来的。

  锂二氧化碳电池的能量密度是锂离子电池的7倍以上。此外，锂二氧化碳电池能够在输出电能的同时将二氧化碳固定为碳酸盐和碳，因而具有储能和固碳的双重优势。

  作为一种具备极大发展潜力的可充电电池，锂二氧化碳电池比容量极高，但是目前还处于发展的初级阶段。影响锂二氧化碳电池效能的因素有很多，包括电池的正负极材料、电解质等。

  寻找高电压的来源

  此前普遍认为，锂二氧化碳电池的工作电位和锂氧电池相似，在2.6伏左右。但缓慢的二氧化碳还原反应是否真的能够媲美更活泼的氧气还原反应，从而产生高电压?

  谈鹏团队搭建了一种电化学测试平台，使电池中的活性气体流动起来，确保了纯净的二氧化碳环境。碳电极、催化剂负载的碳电极及非碳电极均表明锂二氧化碳电池的工作电压为约1.1伏，且二氧化碳还原反应速率远低于氧还原反应。经产物测试分析，研究团队提出约1.1伏电压下的放电产物为晶态、非晶态碳酸锂以及非晶态碳的混合物，肯定了四电子转移机制(锂二氧化碳电池从正极至负极的电荷迁移中包含4个电子)。研究表明，部分研究中所呈现的透射电子显微镜(TEM)图像很可能不是自然放电产物，而是电子束诱导的物质形态。

  为寻找高电压产生的原因，研究团队将电压平台提升至1.8—2.0伏，放电产物中并没有检测到氢氧化锂、氧化锂等副产物。然而，所产生碳酸锂的形貌和结晶度却有明显差异。氧气和水通过改变碳酸锂的生成路径降低能量势垒，并且有效缓解电极钝化，从而加快反应速率。随后，研究团队通过模拟先前报道中静态封存二氧化碳的测试方法，成功复刻出了2.6伏的电压平台，发现锂源产物仍然为单一的碳酸锂。

  这项研究重新定位了下一代锂二氧化碳电池的发展和应用方向：一方面，进行纯二氧化碳环境下的机理研究，开发相适配的组件如催化剂、电解质和电极，而不是复制先前的研究或锂氧电池;另一方面，面向大规模废气处理或深空探测，开发环境气体辅助的二氧化碳基电池。