什么，二氧化碳還能拿來做電池？

出品：科普中國

作者：談鵬 張卓君（中國科學技術(shù)大學）

監(jiān)制：中國科普博覽

近幾年來，隨著鋰離子動力電池技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，馬路上電動汽車疾馳而過的身影也隨處可見。電動汽車的續(xù)航里程一直是人們關(guān)注的重點指標，它直接由所搭載鋰離子電池的儲電量決定。

電動汽車產(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電池能儲存電量的能力。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淖锟準住趸?，進行“廢物利用”，積極響應了“雙碳”目標，可謂是一舉兩得。它，就是鋰-二氧化碳電池！

實現(xiàn)“供能”和“雙碳”目標兩不誤

（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)展的能源供應格局。其中，化石能源在我國能源供應中占主體地位。

化石燃料燃燒導致大量廢氣排放

（圖片來源：Veer圖庫）

我國對二氧化碳大量排放導致的溫室效應問題高度重視，為了盡快實現(xiàn)“雙碳”的目標，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。電化學儲能作為一項高效的技術(shù)手段引起了社會廣泛關(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現(xiàn)。1985年，諾貝爾化學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。

商業(yè)化鋰離子電池模組

（圖片來源：Veer圖庫）

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。鋰氧電池的正極采用一種疏松多孔的導電介質(zhì)（通常稱之為氣體正極），負極采用的是金屬鋰。

其工作過程是：在放電過程中，鋰失去電子成為鋰離子，從鋰負極脫出，隨后擴散到正極一側(cè)；氣態(tài)氧溶解在電解液中，隨后擴散到多孔電極內(nèi)部，在電解液和電極界面處發(fā)生氧還原反應，并與鋰離子結(jié)合產(chǎn)生固態(tài)產(chǎn)物過氧化鋰，最終儲存在正極孔隙中。充電時，過氧化鋰分解，同時釋放出氧氣；鋰離子在負極表面得到電子并沉積。

鋰氧氣電池中傳質(zhì)與反應過程示意圖

（圖片來源：中國科學技術(shù)大學談鵬課題組）

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，這樣就同時實現(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：中國科學技術(shù)大學談鵬課題組）

要想達到儲能的目的，則需實現(xiàn)二次電化學可充性：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，就不需要進行充電了。碳酸鋰在分解時會產(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起來，通過對反應過程加以控制，流動的電解液能夠?qū)⒎烹姇r產(chǎn)生的固體產(chǎn)物或者中間產(chǎn)物帶離電池體系，并儲存在事先準備的罐體中。由于固體產(chǎn)物沒有儲存在氣體正極中，自然也不需要對它充電了。這一點是鋰離子電池無法做到的，由反應原理所決定。

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，但它的實際能量密度卻比較受限。能量密度的計算方式很簡單：理論比容量（mAh/g）×理論電壓（V），任意一項不能達到理論值都會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，或者作為貯運過程的保護氣，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-二氧化碳電池熱力學上的理論電壓為2.8 V，但實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，雖然實現(xiàn)電解液流動能夠?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，使得電子傳導困難，導致較高的充電電壓（>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，因此電極能夠為反應發(fā)生和物質(zhì)吸附提供更多活性位點，進而加速電化學反應進程。這項研究重新定位了下一代鋰-二氧化碳電池的發(fā)展和應用方向。

為了盡快實現(xiàn)鋰-二氧化碳電池的應用，在科學研究上還需要做出以下努力：一方面，進行純二氧化碳環(huán)境下的機理研究，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)，而不是復制先前的研究或鋰氧電池的經(jīng)驗；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機理和傳輸過程進行深入研究，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，又能促進鋰-二氧化碳電池的應用面向更復雜的氣體環(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

在達成“雙碳”目標的路上，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，將會有更多的科技創(chuàng)新助力“雙碳”，要相信，中國科學家一直都在創(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下完成，已在國際學術(shù)期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上在線發(fā)表。

編輯：孫晨宇