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電池的應(yīng)用有著非常重要的意義。動(dòng)力電池是交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)電氣化的核心，能夠間接促進(jìn)二氧化碳排放的大幅減少；電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用則可以保障可再生能源電力供給的穩(wěn)定性與可靠性。

但如何達(dá)到電池既便宜，又能量密度大，還能壽命更長(zhǎng)？科學(xué)家在進(jìn)行不斷探索，各種技術(shù)路線也各顯神通。鋰離子電池是目前的主流。

而現(xiàn)在正有一項(xiàng)新技術(shù)，不僅電池能量密度是傳統(tǒng)鋰離子電池的7倍以上，還能夠在輸出電能的同時(shí)將二氧化碳固定為碳酸鹽和碳，它就是鋰-二氧化碳電池（Li-CO2 Batteries）。

鋰-二氧化碳電池同時(shí)具有儲(chǔ)能和固碳的雙重優(yōu)勢(shì)，可謂是“一舉兩得”。

這項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)從誕生之初就吸引了廣大科研工作者的研究興趣。

不過(guò)任何一種新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都需要一步一步實(shí)現(xiàn)。研究人員表示，鋰-二氧化碳電池的開(kāi)發(fā)仍處于早期階段，比如其中最重要的催化劑的生產(chǎn)方法，仍然相對(duì)緩慢且效率低下，需要尋找高效的電催化劑并深入了解其反應(yīng)機(jī)理。

因此，薩里大學(xué)、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和北京大學(xué)最近開(kāi)發(fā)出了一種新型電化學(xué)測(cè)試平臺(tái)，有助于加速鋰-二氧化碳電池催化劑的評(píng)估與開(kāi)發(fā)。與傳統(tǒng)方式相比，這種新方法極具成本效益、效率和可控性，有望攻克鋰-二氧化碳電池發(fā)展應(yīng)用所面臨的難題。

01

鋰-二氧化碳電池的前世今生

現(xiàn)代意義上的二次（可充電）鋰離子電池誕生于1983年，這也讓當(dāng)時(shí)推動(dòng)鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵人物吉野彰博士獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

后來(lái)為了滿足更多設(shè)備和約束條件下的使用要求，科研人員繼續(xù)投入了對(duì)鋰-氧（Li-O2）電池（即鋰空氣電池）的研究。現(xiàn)在的鋰-二氧化碳電池，也是在這一基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

鋰二氧化碳電池的工作原理是當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰離子從電池正極經(jīng)過(guò)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。因此，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

同樣道理，在電池使用（放電）的過(guò)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?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。 作為一種具備極大發(fā)展?jié)摿Φ目沙潆婋姵?，?二氧化碳電池的能量密度極高，而能量密度越高的電池，單位體積內(nèi)儲(chǔ)存的電量也就越多。
據(jù)了解，目前主流的磷酸鐵鋰電池的能量密度在200Wh/kg以下，三元鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg之間。中科院院士孫世剛表示，目前鋰離子電池的能量密度已接近了天花板。而鋰-二氧化碳電池的理論能量密度高達(dá)1876Wh/kg，是普通鋰離子電池的7倍以上。

不僅如此，Li-CO2電池中的可逆電化學(xué)反應(yīng)：4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2.80 V vs Li/Li+)也是固定CO2的新途徑。傳統(tǒng)的CO2固定方法需要連續(xù)的能量供給，如果這份能量供給是基于化石燃料產(chǎn)能，反而會(huì)排放更多的CO2。相比之下，鋰-二氧化碳電池的固碳方式就清潔得多。

可以說(shuō)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)，能夠?yàn)閼?yīng)對(duì)氣候變化做出雙重貢獻(xiàn)。

但由于目前還處于發(fā)展的初級(jí)階段。影響鋰-二氧化碳電池效能的因素有很多。

在電池反應(yīng)過(guò)程中，碳酸鋰（Li2CO3）作為主要放電產(chǎn)物是一種寬帶隙絕緣子，這將導(dǎo)致其在充電過(guò)程中的分解動(dòng)力學(xué)變慢；在循環(huán)過(guò)程中，Li2CO3的不完全分解和不可逆轉(zhuǎn)化的形成，以及固體碳酸鹽物質(zhì)在陰極表面的積累，也會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)性能的明顯下降，直至Li-CO2電池的“猝死”。

針對(duì)這一難題，開(kāi)發(fā)雙向催化劑來(lái)加速放電和充電過(guò)程中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，是提高Li-CO2電池的能效和循環(huán)壽命的關(guān)鍵。

02

多功能電化學(xué)測(cè)試平臺(tái)有何用？

為應(yīng)對(duì)相應(yīng)挑戰(zhàn)，薩里大學(xué)、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和北京大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種多功能電化學(xué)測(cè)試平臺(tái)（on-chip electrochemical testing platform），可以同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)工作。這個(gè)平臺(tái)有助于電催化劑篩選、優(yōu)化操作條件以及研究高性能鋰-二氧化碳電池中的二氧化碳轉(zhuǎn)化。

研究人員表示，傳統(tǒng)的Li-CO2電池催化劑探索方法主要依靠試錯(cuò)法和單模式表征/測(cè)試技術(shù)，既耗時(shí)又低效。

因此，必須建立一個(gè)簡(jiǎn)化的多功能測(cè)試平臺(tái)，以便以較短的時(shí)間和納米級(jí)空間分辨率快速篩選催化劑，進(jìn)行多模式表征測(cè)試，從而更全面地了解Li-CO2電池這一新興技術(shù)并加速其發(fā)展。

研究人員開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出的“片上鋰-二氧化碳電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”（lab-on-a-chip LCB platform）具有三電極電化學(xué)測(cè)試、催化劑篩選以及原位探測(cè)化學(xué)成分和形態(tài)演變的功能。



研究人員利用這個(gè)平臺(tái)，系統(tǒng)地評(píng)估了一系列候選催化劑促進(jìn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的潛力，并研究了它們的可逆性和反應(yīng)途徑。
其中候選催化劑包括高密度納米顆粒狀態(tài)的鉑、金、銀、銅、鐵和鎳。最終發(fā)現(xiàn)，鉑納米粒子作為催化劑時(shí)電池具有明顯的最小極化表現(xiàn)（0.55 V）、最高的可逆性以及新的反應(yīng)路徑，展示出了優(yōu)越的性能。而這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果也揭示出了鋰-二氧化碳電池的發(fā)展?jié)摿Α?br />
研究人員表示，鋰-二氧化碳電池（LCB ）平臺(tái)還可以在進(jìn)一步的探索中發(fā)揮重要作用，包括：

（1）通過(guò)集成微流控系統(tǒng)或在平臺(tái)上圖案化不同的準(zhǔn)固體電解質(zhì)，為鋰-二氧化碳電池反應(yīng)篩選具有穩(wěn)定溶劑的電解質(zhì)；

（2）探索不同的鋰陽(yáng)極保護(hù)策略或?yàn)殇?二氧化碳電池篩選其他預(yù)鋰化陽(yáng)極。

“開(kāi)發(fā)負(fù)排放新技術(shù)至關(guān)重要。我們的片上實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)將在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。它還可以應(yīng)用于其他系統(tǒng)，如金屬空氣電池、燃料電池和光電化學(xué)電池。”倫敦帝國(guó)學(xué)院高級(jí)講師Yulong Zhao說(shuō)。

總體來(lái)看，LCB平臺(tái)的設(shè)計(jì)，有望攻克鋰-二氧化碳電池發(fā)展所面對(duì)的難題，包括催化劑的快速篩選、反應(yīng)機(jī)理研究以及從納米科學(xué)到尖端碳清除技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。 

原標(biāo)題：新電池突破：一邊放電一邊固碳，能量密度是鋰電池7倍