出品:科普中國
(相關(guān)資料圖)
作者:談鵬 張卓君(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))
近幾年來,隨著鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展逐漸成熟,馬路上電動(dòng)汽車疾馳而過的身影也隨處可見。電動(dòng)汽車的續(xù)航里程一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)指標(biāo),它直接由所搭載鋰離子電池的儲(chǔ)電量決定。
電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展
(圖片來源:Veer圖庫)
我們通常使用能量密度這一概念來評價(jià)電池能儲(chǔ)存電量的能力。有這樣一種電池,它的能量密度是鋰離子電池的7倍以上,在放電的時(shí)候以二氧化碳為燃料,將二氧化碳中的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転槲覀兯谩?/p>
這樣看來,這種神奇的電池既能釋放更多的“電能”,又能夠?qū)厥倚?yīng)的罪魁禍?zhǔn)住趸?,進(jìn)行“廢物利用”,積極響應(yīng)了“雙碳”目標(biāo),可謂是一舉兩得。它,就是鋰-二氧化碳電池!
實(shí)現(xiàn)“供能”和“雙碳”目標(biāo)兩不誤
(圖片來源:Veer圖庫)
我國的能源格局
目前,通過不斷的新舊能源改革發(fā)展,我國逐步形成了全球最大的能源供應(yīng)體系,建成了以煤炭為主體,以電力為中心,以石油、天然氣和可再生能源全面發(fā)展的能源供應(yīng)格局。其中,化石能源在我國能源供應(yīng)中占主體地位。
化石燃料燃燒導(dǎo)致大量廢氣排放
(圖片來源:Veer圖庫)
我國對二氧化碳大量排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)問題高度重視,為了盡快實(shí)現(xiàn)“雙碳”的目標(biāo),圍繞能源綠色低碳發(fā)展制定了一系列政策措施。一方面減少化石燃料的使用,一方面規(guī)劃使用非化石能源來滿足基本的能源需求。電化學(xué)儲(chǔ)能作為一項(xiàng)高效的技術(shù)手段引起了社會(huì)廣泛關(guān)注。
鋰-二氧化碳電池VS鋰離子電池
鋰-二氧化碳電池的結(jié)構(gòu)和工作原理,與我們熟悉的鋰離子電池有一定差異。鋰離子電池的正極材料通常為含鋰化合物,負(fù)極材料為石墨,充放電依靠鋰離子對于石墨和含鋰化合物的嵌入和脫出來實(shí)現(xiàn)。1985年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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。
商業(yè)化鋰離子電池模組
(圖片來源:Veer圖庫)
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。鋰氧電池的正極采用一種疏松多孔的導(dǎo)電介質(zhì)(通常稱之為氣體正極),負(fù)極采用的是金屬鋰。
其工作過程是:在放電過程中,鋰失去電子成為鋰離子,從鋰負(fù)極脫出,隨后擴(kuò)散到正極一側(cè);氣態(tài)氧溶解在電解液中,隨后擴(kuò)散到多孔電極內(nèi)部,在電解液和電極界面處發(fā)生氧還原反應(yīng),并與鋰離子結(jié)合產(chǎn)生固態(tài)產(chǎn)物過氧化鋰,最終儲(chǔ)存在正極孔隙中。充電時(shí),過氧化鋰分解,同時(shí)釋放出氧氣;鋰離子在負(fù)極表面得到電子并沉積。
鋰氧氣電池中傳質(zhì)與反應(yīng)過程示意圖
(圖片來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬課題組)
研究者思考,既然氧氣可以作為活性物質(zhì),那么其他氣體行不行?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,具有和鋰氧電池類似的結(jié)構(gòu)。放電所產(chǎn)生的固體產(chǎn)物為碳酸鋰和碳,這樣就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了供能和固碳。
鋰-二氧化碳電池結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖
(圖片來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬課題組)
要想達(dá)到儲(chǔ)能的目的,則需實(shí)現(xiàn)二次電化學(xué)可充性:鋰-二氧化碳電池的充電過程即為碳酸鋰和碳的分解過程,及鋰的沉積過程。然而,要想讓二氧化碳電池源源不斷地固碳,就不需要進(jìn)行充電了。碳酸鋰在分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳,這樣固定的碳就又回到環(huán)境中了。
那么怎樣實(shí)現(xiàn)不充電的鋰-二氧化碳電池呢?一種理想的方法是讓電解液流動(dòng)起來,通過對反應(yīng)過程加以控制,流動(dòng)的電解液能夠?qū)⒎烹姇r(shí)產(chǎn)生的固體產(chǎn)物或者中間產(chǎn)物帶離電池體系,并儲(chǔ)存在事先準(zhǔn)備的罐體中。由于固體產(chǎn)物沒有儲(chǔ)存在氣體正極中,自然也不需要對它充電了。這一點(diǎn)是鋰離子電池?zé)o法做到的,由反應(yīng)原理所決定。
把二氧化碳換上場,難。
鋰-二氧化碳電池的發(fā)展之路并非一片坦途。雖然這種電池具有很高的理論能量密度,但它的實(shí)際能量密度卻比較受限。能量密度的計(jì)算方式很簡單:理論比容量(mAh/g)×理論電壓(V),任意一項(xiàng)不能達(dá)到理論值都會(huì)造成能量密度的衰減。
在日常生活中,我們對于二氧化碳的惰性性質(zhì)比較熟悉,它是一種非常穩(wěn)定的分子,可以用來作為滅火器中的主要成分,或者作為貯運(yùn)過程的保護(hù)氣,減少果蔬肉類的氧化和呼吸消耗。
也正是由于二氧化碳穩(wěn)定的惰性性質(zhì),雖然鋰-二氧化碳電池?zé)崃W(xué)上的理論電壓為2.8 V,但實(shí)際放電的電壓損失很大。筆者課題組的研究人員發(fā)現(xiàn),鋰-二氧化碳電池的實(shí)際電壓通常在1.1 V左右,難以產(chǎn)生類似于鋰氧電池的高電壓(>2.5 V)。
鋰-二氧化碳電池還面臨著使用壽命短的問題。對于固碳,雖然實(shí)現(xiàn)電解液流動(dòng)能夠?qū)⒉糠止腆w產(chǎn)物帶離電池體系,但仍不能避免它們在電極表面沉積,固碳效果也將隨著電極逐漸鈍化而衰減。
對于儲(chǔ)能,碳酸鋰和碳是以固態(tài)的形式固定在多孔電極中,在電池充電后,部分碳酸鋰難以完全分解。久而久之,電極內(nèi)部的孔隙將被逐漸堵塞,造成物質(zhì)傳輸緩慢,并且碳酸鋰覆蓋在空氣電極表面,使得電子傳導(dǎo)困難,導(dǎo)致較高的充電電壓(>4.0 V),造成電解液和電極材料分解。
新電池,新未來
雖然問題很多,但總有解決的辦法。筆者的課題組通過解耦空氣組分,研究了調(diào)控鋰-二氧化碳電池放電電壓的方法,解釋了長期以來其電壓測試不穩(wěn)定的原因。
研究發(fā)現(xiàn),在二氧化碳中混入1%氧氣和500 ppm(百萬分率)水即可將電壓提升至2.0 V左右,同時(shí)能量密度也將翻倍增長。氧氣和水的引入改變了碳酸鋰的生成路徑,從而降低了能量勢壘;碳酸鋰的形貌和晶型也發(fā)生明顯變化,緩解了電極鈍化現(xiàn)象,因此電極能夠?yàn)榉磻?yīng)發(fā)生和物質(zhì)吸附提供更多活性位點(diǎn),進(jìn)而加速電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。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。
為了盡快實(shí)現(xiàn)鋰-二氧化碳電池的應(yīng)用,在科學(xué)研究上還需要做出以下努力:一方面,進(jìn)行純二氧化碳環(huán)境下的機(jī)理研究,開發(fā)真正適配于二氧化碳還原的組件(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的經(jīng)驗(yàn);另一方面,對氣體輔助(如氧氣、水和一氧化碳)的二氧化碳電池中的反應(yīng)機(jī)理和傳輸過程進(jìn)行深入研究,揭示輔助氣體在該體系中所發(fā)揮的作用。
采用其他氣體輔助的研究策略既能夠提升電池性能,又能促進(jìn)鋰-二氧化碳電池的應(yīng)用面向更復(fù)雜的氣體環(huán)境。例如,在工業(yè)廢氣中含有大量的二氧化碳和其他氣體,利用二氧化碳電池可以在固碳的同時(shí)產(chǎn)生電能;火星大氣中有極高濃度的二氧化碳,可以利用二氧化碳作為火星車的“燃料”輸出電能……
火星探測車有望搭載氣體輔助的二氧化碳電池
(圖片來源:Veer圖庫)
或許不久后的將來,在大規(guī)模廢氣處理或深空探測領(lǐng)域中,我們便能夠看到這位電池界新秀的身影大顯神威了!
結(jié)語
在達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的路上,解決能源問題是最重要的發(fā)展方向之一,鋰-二氧化碳電池的儲(chǔ)能屬性、固碳屬性,使其在能源問題中發(fā)揮出了重要的作用。未來,將會(huì)有更多的科技創(chuàng)新助力“雙碳”,要相信,中國科學(xué)家一直都在創(chuàng)新的路上奮勇向前。
注:本文相關(guān)成果為博士后肖旭和博士研究生張卓君在談鵬教授的指導(dǎo)下完成,已在國際學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)上在線發(fā)表。
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