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(yōu)勢。

經(jīng)濟的飛速發(fā)展，推動著世界對各類能源的龐大需求。

在當(dāng)今能源格局中，化石能源仍占據(jù)主要地位，但大量、持續(xù)的化石能源消耗，也導(dǎo)致了大量的二氧化碳?xì)怏w的排放。

一方面，化石能源屬于非可再生能源，終將面臨不可避免的能源枯竭問題；另一方面，溫室效應(yīng)的不斷加劇，也迫使各國尋求一種可持續(xù)的綠色能源。

在新能源電池領(lǐng)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(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團隊，通過探究多組分協(xié)同傳輸對鋰二氧化碳電池的作用規(guī)律，為下一代鋰二氧化碳電池的發(fā)展提供了調(diào)控策略。

相關(guān)成果日前發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)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(rèn)為是儲能領(lǐng)域的重要技術(shù)。

一般而言，鋰二氧化碳電池的工作原理是當(dāng)對電池進行充電時，鋰離子從電池正極經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，到達負(fù)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(dāng)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)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(xué)獎獲得者吉野彰首次制作了第一個現(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。同時，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，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。

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(yōu)勢。

作為一種具備極大發(fā)展?jié)摿Φ目沙潆婋姵兀嚩趸茧姵乇热萘繕O高，但是目前還處于發(fā)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(fù)極材料、電解質(zhì)等。

尋找高電壓的來源

此前普遍認(rèn)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(yīng)是否真的能夠媲美更活潑的氧氣還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生高電壓？

談鵬團隊搭建了一種電化學(xué)測試平臺，使電池中的活性氣體流動起來，確保了純凈的二氧化碳環(huán)境。碳電極、催化劑負(fù)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(yīng)速率遠低于氧還原反應(yīng)。經(jīng)產(chǎn)物測試分析，研究團隊提出約1.1伏電壓下的放電產(chǎn)物為晶態(tài)、非晶態(tài)碳酸鋰以及非晶態(tài)碳的混合物，肯定了四電子轉(zhuǎn)移機制（鋰二氧化碳電池從正極至負(fù)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(xiàn)的透射電子顯微鏡（TEM）圖像很可能不是自然放電產(chǎn)物，而是電子束誘導(dǎo)的物質(zhì)形態(tài)。

為尋找高電壓產(chǎn)生的原因，研究團隊將電壓平臺提升至1.8—2.0伏，放電產(chǎn)物中并沒有檢測到氫氧化鋰、氧化鋰等副產(chǎn)物。然而，所產(chǎn)生碳酸鋰的形貌和結(jié)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，并且有效緩解電極鈍化，從而加快反應(yīng)速率。隨后，研究團隊通過模擬先前報道中靜態(tài)封存二氧化碳的測試方法，成功復(fù)刻出了2.6伏的電壓平臺，發(fā)現(xiàn)鋰源產(chǎn)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(fā)展和應(yīng)用方向：一方面，進行純二氧化碳環(huán)境下的機理研究，開發(fā)相適配的組件如催化劑、電解質(zhì)和電極，而不是復(fù)制先前的研究或鋰氧電池；另一方面，面向大規(guī)模廢氣處理或深空探測，開發(fā)環(huán)境氣體輔助的二氧化碳基電池。（吳長鋒）