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。從媒體報道來看，各地不斷釋放更強的綠色發(fā)展信號，以鋰離子電池為代表的新能源產業(yè)集群將繼續(xù)扮演拉動經濟增長的主力軍角色。

現代社會，鋰離子電池的應用有著非常重要的意義。在推動交通領域電氣化的過程中，它作為核心部件間接促進二氧化碳排放大幅減少，而在儲能領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，科學家還在尋找新的技術路線，以實現更高能量密度和更低碳排放的能源技術。

而現在有一項新技術，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，當對電池進行充電時，鋰離子從電池正極經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，有很多微孔，到達負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，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。放電過程特別之處在于，電池內的二氧化碳組分轉變?yōu)樘妓徜嚭吞?，從而實現二氧化碳固定和儲能的靈活應用。

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毫安時的比容量，從而引發(fā)廣泛的關注。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產生的能量來轉化為電能。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”。因為氧來自空氣而無需預存在電池系統(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超鋰離子電池。這意味著，電動汽車可以使用更小巧輕便的電池，同時續(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，產生的副產物會覆蓋電極，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”這個額外的安全風險因素。

2011年，鋰電先驅塔拉斯孔將二氧化碳引入鋰氧電池，發(fā)現放電產物為更加穩(wěn)定的碳酸鋰，同時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關鍵的電池技術，又是一項重要的固碳技術，能為應對氣候變化作出雙重貢獻。

眾所周知，二氧化碳的反應活性遠低于氧氣，反應產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散，引發(fā)了帶電狀態(tài)下的電解質分解，最終導致電池失效。因此，大量的研究人員聚焦于提高電池轉化反應的速度。

中國科大的研究團隊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，其實際工作電壓更高達2.65伏，而在這之前，其工作電壓僅為1.1伏。國外的研究團隊則摒棄了以往耗時、低效的試錯法篩選催化劑，致力于開發(fā)多功能的電化學測試平臺，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儲能方面發(fā)揮至關重要的作用，這不僅體現在日常生活中，也體現在工業(yè)生產中。毫無疑問，要厘清鋰—二氧化碳電池的關鍵科學問題，需要依靠化學工程到材料科學、電化學、納米技術等多學科和跨領域的研究，這也是促進其大規(guī)模應用的關鍵步驟。

（作者系遠景科技集團工程師）