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出品：科普中國

作者：談鵬 張卓君（中國科學技術大學）

監製：中國科普博覽

近幾年來，隨著鋰離子動力電池技術發展逐漸成熟，馬路上電動汽車疾馳而過的身影也隨處可見。電動汽車的續航裏程一直是人們(men) 關(guan) 注的重點指標，它直接由所搭載鋰離子電池的儲(chu) 電量決(jue) 定。

電動汽車產(chan) 業(ye) 蓬勃發展

（圖片來源：Veer圖庫）

我們(men) 通常使用能量密度這一概念來評價(jia) 電池能儲(chu) 存電量的能力。有這樣一種電池，它的能量密度是鋰離子電池的7倍以上，在放電的時候以二氧化碳為(wei) 燃料，將二氧化碳中的部分能量轉變為(wei) 電能為(wei) 我們(men) 所用。

這樣看來，這種神奇的電池既能釋放更多的“電能”，又能夠對溫室效應的罪魁禍首——二氧化碳，進行“廢物利用”，積極響應了“雙碳”目標，可謂是一舉(ju) 兩(liang) 得。它，就是鋰-二氧化碳電池！

實現“供能”和“雙碳”目標兩(liang) 不誤

（圖片來源：Veer圖庫）

我國的能源格局

目前，通過不斷的新舊能源改革發展，我國逐步形成了全球最大的能源供應體(ti) 係，建成了以煤炭為(wei) 主體(ti) ，以電力為(wei) 中心，以石油、天然氣和可再生能源全麵發展的能源供應格局。其中，化石能源在我國能源供應中占主體(ti) 地位。

化石燃料燃燒導致大量廢氣排放

（圖片來源：Veer圖庫）

我國對二氧化碳大量排放導致的溫室效應問題高度重視，為(wei) 了盡快實現“雙碳”的目標，圍繞能源綠色低碳發展製定了一係列政策措施。一方麵減少化石燃料的使用，一方麵規劃使用非化石能源來滿足基本的能源需求。電化學儲(chu) 能作為(wei) 一項高效的技術手段引起了社會(hui) 廣泛關(guan) 注。

鋰-二氧化碳電池VS鋰離子電池

鋰-二氧化碳電池的結構和工作原理，與(yu) 我們(men) 熟悉的鋰離子電池有一定差異。鋰離子電池的正極材料通常為(wei) 含鋰化合物，負極材料為(wei) 石墨，充放電依靠鋰離子對於(yu) 石墨和含鋰化合物的嵌入和脫出來實現。1985年，諾貝爾化學獎獲得者吉野彰首次製作了第一個(ge) 現代意義(yi) 上的二次鋰離子電池。1991年，索尼公司開始大規模生產(chan) 商用鋰離子電池。

商業(ye) 化鋰離子電池模組

（圖片來源：Veer圖庫）

同時，為(wei) 了滿足更多設備和約束條件下的使用要求，鋰電先驅塔拉斯孔等人開始研究鋰氧電池。鋰氧電池的正極采用一種疏鬆多孔的導電介質（通常稱之為(wei) 氣體(ti) 正極），負極采用的是金屬鋰。

其工作過程是：在放電過程中，鋰失去電子成為(wei) 鋰離子，從(cong) 鋰負極脫出，隨後擴散到正極一側(ce) ；氣態氧溶解在電解液中，隨後擴散到多孔電極內(nei) 部，在電解液和電極界麵處發生氧還原反應，並與(yu) 鋰離子結合產(chan) 生固態產(chan) 物過氧化鋰，最終儲(chu) 存在正極孔隙中。充電時，過氧化鋰分解，同時釋放出氧氣；鋰離子在負極表麵得到電子並沉積。

鋰氧氣電池中傳(chuan) 質與(yu) 反應過程示意圖

（圖片來源：中國科學技術大學談鵬課題組）

研究者思考，既然氧氣可以作為(wei) 活性物質，那麽(me) 其他氣體(ti) 行不行？隨後的鋰-二氧化碳電池，正是在鋰氧電池的基礎上發展起來的，具有和鋰氧電池類似的結構。放電所產(chan) 生的固體(ti) 產(chan) 物為(wei) 碳酸鋰和碳，這樣就同時實現了供能和固碳。

鋰-二氧化碳電池結構與(yu) 工作原理示意圖

（圖片來源：中國科學技術大學談鵬課題組）

要想達到儲(chu) 能的目的，則需實現二次電化學可充性：鋰-二氧化碳電池的充電過程即為(wei) 碳酸鋰和碳的分解過程，及鋰的沉積過程。然而，要想讓二氧化碳電池源源不斷地固碳，就不需要進行充電了。碳酸鋰在分解時會(hui) 產(chan) 生二氧化碳，這樣固定的碳就又回到環境中了。

那麽(me) 怎樣實現不充電的鋰-二氧化碳電池呢？一種理想的方法是讓電解液流動起來，通過對反應過程加以控製，流動的電解液能夠將放電時產(chan) 生的固體(ti) 產(chan) 物或者中間產(chan) 物帶離電池體(ti) 係，並儲(chu) 存在事先準備的罐體(ti) 中。由於(yu) 固體(ti) 產(chan) 物沒有儲(chu) 存在氣體(ti) 正極中，自然也不需要對它充電了。這一點是鋰離子電池無法做到的，由反應原理所決(jue) 定。

把二氧化碳換上場，難。

鋰-二氧化碳電池的發展之路並非一片坦途。雖然這種電池具有很高的理論能量密度，但它的實際能量密度卻比較受限。能量密度的計算方式很簡單：理論比容量（mAh/g）×理論電壓（V），任意一項不能達到理論值都會(hui) 造成能量密度的衰減。

在日常生活中，我們(men) 對於(yu) 二氧化碳的惰性性質比較熟悉，它是一種非常穩定的分子，可以用來作為(wei) 滅火器中的主要成分，或者作為(wei) 貯運過程的保護氣，減少果蔬肉類的氧化和呼吸消耗。

也正是由於(yu) 二氧化碳穩定的惰性性質，雖然鋰-二氧化碳電池熱力學上的理論電壓為(wei) 2.8 V，但實際放電的電壓損失很大。筆者課題組的研究人員發現，鋰-二氧化碳電池的實際電壓通常在1.1 V左右，難以產(chan) 生類似於(yu) 鋰氧電池的高電壓（>2.5 V）。

鋰-二氧化碳電池還麵臨(lin) 著使用壽命短的問題。對於(yu) 固碳，雖然實現電解液流動能夠將部分固體(ti) 產(chan) 物帶離電池體(ti) 係，但仍不能避免它們(men) 在電極表麵沉積，固碳效果也將隨著電極逐漸鈍化而衰減。

對於(yu) 儲(chu) 能，碳酸鋰和碳是以固態的形式固定在多孔電極中，在電池充電後，部分碳酸鋰難以完全分解。久而久之，電極內(nei) 部的孔隙將被逐漸堵塞，造成物質傳(chuan) 輸緩慢，並且碳酸鋰覆蓋在空氣電極表麵，使得電子傳(chuan) 導困難，導致較高的充電電壓（>4.0 V），造成電解液和電極材料分解。

新電池，新未來

雖然問題很多，但總有解決(jue) 的辦法。筆者的課題組通過解耦空氣組分，研究了調控鋰-二氧化碳電池放電電壓的方法，解釋了長期以來其電壓測試不穩定的原因。

研究發現，在二氧化碳中混入1%氧氣和500 ppm（百萬(wan) 分率）水即可將電壓提升至2.0 V左右，同時能量密度也將翻倍增長。氧氣和水的引入改變了碳酸鋰的生成路徑，從(cong) 而降低了能量勢壘；碳酸鋰的形貌和晶型也發生明顯變化，緩解了電極鈍化現象，因此電極能夠為(wei) 反應發生和物質吸附提供更多活性位點，進而加速電化學反應進程。這項研究重新定位了下一代鋰-二氧化碳電池的發展和應用方向。

為(wei) 了盡快實現鋰-二氧化碳電池的應用，在科學研究上還需要做出以下努力：一方麵，進行純二氧化碳環境下的機理研究，開發真正適配於(yu) 二氧化碳還原的組件(如催化劑、電解質和電極)，而不是複製先前的研究或鋰氧電池的經驗；另一方麵，對氣體(ti) 輔助（如氧氣、水和一氧化碳）的二氧化碳電池中的反應機理和傳(chuan) 輸過程進行深入研究，揭示輔助氣體(ti) 在該體(ti) 係中所發揮的作用。

采用其他氣體(ti) 輔助的研究策略既能夠提升電池性能，又能促進鋰-二氧化碳電池的應用麵向更複雜的氣體(ti) 環境。例如，在工業(ye) 廢氣中含有大量的二氧化碳和其他氣體(ti) ，利用二氧化碳電池可以在固碳的同時產(chan) 生電能；火星大氣中有極高濃度的二氧化碳，可以利用二氧化碳作為(wei) 火星車的“燃料”輸出電能……

火星探測車有望搭載氣體(ti) 輔助的二氧化碳電池

（圖片來源：Veer圖庫）

或許不久後的將來，在大規模廢氣處理或深空探測領域中，我們(men) 便能夠看到這位電池界新秀的身影大顯神威了！

結語

在達成“雙碳”目標的路上，解決(jue) 能源問題是最重要的發展方向之一，鋰-二氧化碳電池的儲(chu) 能屬性、固碳屬性，使其在能源問題中發揮出了重要的作用。未來，將會(hui) 有更多的科技創新助力“雙碳”，要相信，中國科學家一直都在創新的路上奮勇向前。

注：本文相關(guan) 成果為(wei) 博士後肖旭和博士研究生張卓君在談鵬教授的指導下完成，已在國際學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上在線發表。

編輯：孫晨宇

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