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陈军课题组以廉价原料制备“可呼吸”钠-二氧化碳电池

来源: 南开新闻网     发稿时间: 2018-09-17 18:02

  南开新闻网讯(记者 马超)中科院院士、南开大学化学学院陈军教授课题组在利用廉价的碳酸钠和碳纳米管构建无钠预填装的“可呼吸”钠-二氧化碳电池领域取得了突破性进展,相关研究成果近日作为《Research》创刊号首篇文章发表。

  “可呼吸”电池的初级版本是锂-氧电池,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,因此被称为“可呼吸”电池。在此基础上衍生出的可充钠-二氧化碳电池一般是以金属钠为负极,以碳等材料为正极,放电时从外界获取温室气体二氧化碳,充电时再放出二氧化碳的一类电池。对比锂-氧电池,这类电池不仅原料丰富、制备方便,增加了实验过程中的安全性,二氧化碳作为温室气体,还可变废为宝、资源化利用,实现绿色可持续发展。

  但是目前钠-二氧化碳电池开发存在难点:过量的金属钠负极容易形成枝晶,导致电池短路,带来安全隐患,且金属钠制备主要是通过电解熔融氯化钠或氢氧化钠,能耗较大。课题组试图从碳酸钠出发构建钠-二氧化碳电池,但由于碳酸钠导电性差,因此在较低过电位下实现碳酸钠的电化学分解比较困难。基于以上难点,陈军课题组以溶解析出法在多壁碳纳米管表面上得到的碳酸钠廉价复合材料作为正极,导电碳作为负极,构建了无钠预填装的“可呼吸”钠-二氧化碳电池。通过对充电容量的控制,实现了在负极一侧金属钠的定量生成,利用导电碳较大比表面积的特点,成功抑制了枝晶的形成。

  经测试,该电池在截容量为0.3 mAh/cm2的条件下,循环100圈后仍能保证充电电压低于4 V。课题组进一步组装了容量为350 mAh、能量密度为183 Wh/kg(基于整个电池质量)的单体电池。

  碳酸钠在工业上制备容易,碳在自然界中广泛存在,陈军课题组研究成果利用廉价、安全的碳酸钠和碳为起始原料成功地构建了“可呼吸”钠-二氧化碳电池,避免了负极金属钠的预填装,能有效地降低电池的安全隐患,为安全电池的设计提供了一种新思路。此外,火星大气中含有95%的二氧化碳,该工作构建的“可呼吸”钠-二氧化碳电池有望为火星探测提供一种潜在的电化学能源系统。

  《Research》是中国科协和美国科学促进会联手打造的全新综合性高水平国际化英文科技期刊,是《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊,其国际主编为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。《Research》开展了对中国两院院士、美国科学院院士、加拿大科学院院士、各学科国内外高影响力学者的约稿和宣传工作,希望通过《Science》的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源,快速提高期刊的国际知名度和影响力,力争在短期内办成一本具有国际一流学术水平的国际著名综合性科技期刊。自2018年8月22日起,《Research》创刊号文章开始陆续进行网络OA出版,创刊号发表了包括剑桥大学、加州大学等高校的9篇文章,第一篇网络出版的文章是陈军院士此次关于“可呼吸”钠-二氧化碳电池的研究成果。

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