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【1269期】南开研究“可呼吸”电池获进展
来源: 南开大学报发稿时间:2015-06-05 16:50

  首次以石墨烯用作空气电极

  本报讯(记者 马超 摄影报道)近日,我校化学学院周震教授课题组,在新型储能体系-可充电锂二氧化碳电池研究方面取得重要进展,首次以石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极,以金属锂做负极,吸收空气中的二氧化碳释放能量。课题组把锂二氧化碳电池称为“可呼吸”电池2.0版。相关研究成果发表于化学学科三大传统顶级期刊之一《应用化学(国际版)》,并被编辑选为热点论文。

  “可呼吸”电池的初级版本是锂氧气电池,它以金属锂作负极,正极为由碳、贵金属或过渡金属氧化物等构成的空气电极,放电时从空气中获取氧气,充电时再放出氧气,因此被誉为“可呼吸”电池。锂氧气电池具有最高的理论储电能力,如果用作电动汽车电源可以连续行驶800公里,而使用锂离子电池的电动汽车仅能够连续行驶100多公里,而且锂离子电池的提升理论空间有限。所以目前电动汽车价格高,市场认可度低,需要政府给予一定补贴。现实的需求更加呼唤锂氧气电池尽快取得突破。

  课题组通过简单易行的溶胶凝胶方法,制备了一种同时具有层状大孔与介孔通道的碳氮多级复合结构材料,作为锂氧气电池的空气电极,表现出了非常高的电化学活性,尤其是循环稳定性得到了明显改善,可以连续充放电160次以上。空气电极性能的改善正是得益于这种材料独特的结构。大孔和介孔为电化学反应和氧气传输提供了良好的场所与通道,而材料中存在的大量吡啶结构的氮提供了电催化反应的活性位点。同时,研究人员通过理论计算证实了吡啶氮的催化作用。相关成果发表于《先进功能材料》上,该研究进一步优化了锂氧气电池的性能,为这种新型储能器件的实际应用打下了基础。

  锂氧气电池的研究是当今新能源领域的热点和难点,国内外许多高校和研究机构都致力于此。周震课题组在锂氧气电池中使用了独特的空气电极材料,并引入高性能计算模拟来指导实验,为锂氧气电池催化剂的设计和研发指明了方向。

  “现在课题组将氧气换成二氧化碳,一来是原料制备方便,二来增加实验过程中的安全性。因此,我们可以把锂二氧化碳电池看作是一代‘可呼吸’电池的升级版本。”周震介绍。此外,由于全球变暖主要是由二氧化碳等温室气体大量排放造成的,如何减少二氧化碳的排放成为当今社会普遍关注的问题。如果能把二氧化碳变废为宝,资源化利用是一条理想的出路,这也成为国际上研究的热点和难点。

  可充电锂二氧化碳电池的构想,迸发于课题组成员苏利伟博士3年前的一次实验。他发现,碳酸盐做锂离子电池负极储锂容量异常高,且在反应过程中产生二氧化碳气泡。此后,博士生张彰开始建立锂氧气电池的研究平台,经团队成员反复实验,不断改进电极性能,首次将石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极,表现出了优异的性能,可连续充放电20次以上,这是截至目前的最高水平。锂二氧化碳电池性能的改善得益于石墨烯的高导电性和大比表面积,为电化学反应提供了良好的场所。

  目前,尽管可充电锂二氧化碳电池的研究刚刚起步,基本原理尚未完全清楚,动力学性能和充放电循环能力还有进一步提升空间,需继续深入研究。但专家们认为,该研究为推动二氧化碳在能源储存与转化领域中的应用,以及实现锂氧气电池向锂空气电池的飞跃具有重要意义

编辑:张丽

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