新型碳中和電池會“吸”二氧化碳

近日，全國地方兩會陸續(xù)閉幕。從媒體報(bào)道來看，各地不斷釋放更強(qiáng)的綠色發(fā)展信號，以鋰離子電池為代表的新能源產(chǎn)業(yè)集群將繼續(xù)扮演拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的主力軍角色。

現(xiàn)代社會，鋰離子電池的應(yīng)用有著非常重要的意義。在推動(dòng)交通領(lǐng)域電氣化的過程中，它作為核心部件間接促進(jìn)二氧化碳排放大幅減少，而在儲能領(lǐng)域則保障可再生能源電力供給的穩(wěn)定性與可靠性。與此同時(shí)，科學(xué)家還在尋找新的技術(shù)路線，以實(shí)現(xiàn)更高能量密度和更低碳排放的能源技術(shù)。

而現(xiàn)在有一項(xiàng)新技術(shù)，不僅電池能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池7倍以上，還能在輸出電能同時(shí)將二氧化碳固定為碳酸鹽和碳，這就是鋰—二氧化碳電池。

與鋰離子電池類似，鋰—二氧化碳電池的工作原理是，當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰離子從電池正極經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中。同樣道理，在電池使用，也就是放電過程中，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極。放電過程特別之處在于，電池內(nèi)的二氧化碳組分轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徜嚭吞迹瑥亩鴮?shí)現(xiàn)二氧化碳固定和儲能的靈活應(yīng)用。

鋰—二氧化碳電池的研究始于鋰氧電池，也叫鋰空氣電池。1996年，來自波士頓東北大學(xué)的研究者首次制作了可充電鋰氧電池，獲得了每克1400毫安時(shí)的比容量，從而引發(fā)廣泛的關(guān)注。要知道，直到今天普遍使用的正極材料才具有不到每克300毫安時(shí)的比容量。正如其名，鋰空氣電池利用金屬鋰與空氣中的氧反應(yīng)產(chǎn)生的能量來轉(zhuǎn)化為電能。這種好似生物呼吸的充放電過程，也讓這種電池得名“呼吸電池”。因?yàn)檠鮼碜钥諝舛鵁o需預(yù)存在電池系統(tǒng)中，金屬鋰又具有較低的密度，所以鋰空氣電池的理論能量密度要遠(yuǎn)超鋰離子電池。這意味著，電動(dòng)汽車可以使用更小巧輕便的電池，同時(shí)續(xù)航能力還可超越傳統(tǒng)燃油汽車。

不過，空氣中并不只含有氧氣，還有其他各種氣體參與反應(yīng)，產(chǎn)生的副產(chǎn)物會覆蓋電極，使其很快喪失活性甚至引起電池短路。這一問題讓不少鋰空氣電池不得不只能在純氧環(huán)境中工作，從“鋰空氣電池”變成“鋰氧氣電池”。這樣一來，“背上氧氣瓶”的鋰空氣電池，不僅能量密度優(yōu)勢幾乎喪失殆盡，還增添了“氧氣瓶”這個(gè)額外的安全風(fēng)險(xiǎn)因素。

2011年，鋰電先驅(qū)塔拉斯孔將二氧化碳引入鋰氧電池，發(fā)現(xiàn)放電產(chǎn)物為更加穩(wěn)定的碳酸鋰，同時(shí)繼承了原有的高能量密度優(yōu)勢?？梢赃@樣說，鋰—二氧化碳電池既是一項(xiàng)關(guān)鍵的電池技術(shù)，又是一項(xiàng)重要的固碳技術(shù)，能為應(yīng)對氣候變化作出雙重貢獻(xiàn)。

眾所周知，二氧化碳的反應(yīng)活性遠(yuǎn)低于氧氣，反應(yīng)產(chǎn)物之一的碳酸鋰在充電階段會循環(huán)使用，但是碳的積累抑制了催化劑的活性和二氧化碳的擴(kuò)散，引發(fā)了帶電狀態(tài)下的電解質(zhì)分解，最終導(dǎo)致電池失效。因此，大量的研究人員聚焦于提高電池轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度。

中國科大的研究團(tuán)隊(duì)嘗試引入合適濃度的氧氣，輔助鋰—二氧化碳電池突破了工程瓶頸，使二氧化碳的工業(yè)利用成為可能，其實(shí)際工作電壓更高達(dá)2.65伏，而在這之前，其工作電壓僅為1.1伏。國外的研究團(tuán)隊(duì)則摒棄了以往耗時(shí)、低效的試錯(cuò)法篩選催化劑，致力于開發(fā)多功能的電化學(xué)測試平臺，加速篩選高效的催化劑，從而提高了碳的循環(huán)速度。

顯然，以鋰—二氧化碳電池為代表的下一代電池將在有效固定二氧化碳和先進(jìn)儲能方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這不僅體現(xiàn)在日常生活中，也體現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中。毫無疑問，要厘清鋰—二氧化碳電池的關(guān)鍵科學(xué)問題，需要依靠化學(xué)工程到材料科學(xué)、電化學(xué)、納米技術(shù)等多學(xué)科和跨領(lǐng)域的研究，這也是促進(jìn)其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。

（作者系遠(yuǎn)景科技集團(tuán)工程師）