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西工大研制出让二氧化碳显“神迹”新型电池

来源:陕西科技报 | 日期:2020-06-16
     
        陕西科技报-陕西科技传媒网(记者  周 励)
你还在为买不买新能源汽车纠结吗?你还在为手机每天都要充电而烦恼吗?西北工业大学纳米能源材料研究中心谢科予教授团队研制的锂-二氧化碳电池,为彻底解决这些问题提供了可能!这种新型电池比同等体量的传统锂电池在续航能力上提升了7倍,材料还更加环保。未来,会在各类电子产品、交通工具,以及航空、航天领域具有广阔的应用前景。
        近年来,锂离子电池一直在全球社会经济中发挥着重要作用,但其理论能量密度低、续航时间短,已难以满足人们的需求。研制新的电池,大幅提升续航能力等指标,一直是谢科予教授团队研究的方向。
        6月16日,记者在谢科予的实验室进行了采访,看到有一块圆形的纽扣电池,这就是该团队研究的“锂-二氧化碳电池”。仔细观察发现,它个头小,电池的一侧并非封闭结构,而是由许多孔洞构成。
        谢科予教授介绍:“与目前已经大量商用的锂电池相比,锂-二氧化碳电池最大的优势就是具有更高的能量密度。实验数据显示,其容量比是锂电池的7倍,假设现在使用的手机电池可以续航3天,未来使用同等重量同等体积的锂-二氧化碳电池,或许可以使用21天甚至更久。”
        它的另一个优势就是利用二氧化碳气体提供电能,变“废”为宝。在整个能量转换过程中,比传统的锂电池更加绿色环保。此外,在一些特定的环境中,比如火星表面的二氧化碳浓度高达95%,深地深海等极端环境二氧化碳浓度较高,在此类探索工程中,锂-二氧化碳电池可以“就地取材”,更好地发挥其优势。

         锂-二氧化碳电池具有巨大的发展潜力及应用价值,作为金属气体电池家族之一,其工作原理与传统电池相比都是全新的。谢科予教授团队从催化反应机理和电极的宏观设计入手解决了一个个难题。
        该团队设计了一种具有强界面电子相互作用的硫化锌量子点——氮掺杂石墨烯双向催化剂,首次将界面相互作用引入锂-二氧化碳电池,并深入揭示其作用机制。锂-二氧化碳电池的电化学性能得到了大幅度提升。在材料方面,针对电池倍率性能差的问题,团队和新加坡国立大学Loh Kian Ping教授合作共同设计了一种具有结构稳定的共价有机框架,首次将其作为气体电池扩散层引入锂-二氧化碳电池中,有效地提高了电池的充放电循环效率,极大地缓解了电池充放电过程中传质速度慢等问题。采用该材料作为正极气体扩散层后,电池表现出的优异电化学性能在国内外同类研究中属于前列。该研究成果发表在材料科学领域著名学术杂志《先进材料》《先进能源材料》上。
        据了解,根据实验数据,团队研究的锂-二氧化碳电池已经具备了在某些特定环境中应用的能力,但距实际大规模生产还有很长的距离,比如在充电效率、电池充放电次数、成本控制等方面还需要进一步优化提升。
        团队成员周丽娇说:“后续,我们可能会围绕锂金属负极方面做一些保护,更好地提高电池的循环效率。”下一步,他们试图用固体聚合物替代现有的电解液,为锂-二氧化碳电池提供更多的应用场景。
       从铅酸电池到锂离子电池,科学技术的飞跃式发展为许多行业带来了深刻变革。锂-二氧化碳电池的关键材料与作用机制都与传统不同,其颠覆性技术也必将为未来带来无限可能。在未来的某一天,二氧化碳不再被称为废气,锂-二氧化碳电池将会走进我们的生活。我们使用着超长续航时间的手机,驾驶着对环境更友好的汽车出门远行,火星上、远航中、深渊里到处都是锂-二氧化碳电池的应用“神迹”……(图片提供:西北工业大学纳米能源材料研究中心)
作者:周励 | 责任编辑 | 丹若
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