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可呼吸Na-CO2电池研究再获突破,廉价碳酸钠和碳纳米管材料起关键作用

北极蚊子 2018-9-6 15:21

2018年8月22日,南开大学化学学院陈军教授团队在利用廉价的碳酸钠和碳纳米管构建可呼吸Na-CO2电池领域取得了突破性进展,相关研究成果以“利用廉价的碳酸钠和碳纳米管构建可呼吸Na-CO2电池”(Rechargeable Na-CO2 Batteries Starting from Cathode of Na2CO3 and Carbon Nanotubes为题,发表在《Research》(Research.2018,DOI: 10.1155/2018/6914626上。

研究背景

“可呼吸”电池的初级版本是Li-O2电池,以金属Li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O2,充电时再放出O2,因此被称为“可呼吸”电池。在此基础上衍生出的可充Na-CO2电池一般是以金属Na为负极,以碳等材料为正极,放电时从外界获取温室气体CO2,充电时再放出CO2的一类电池。对比Li-O2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,同时,CO2作为温室气体,还可以把CO2变废为宝、资源化利用,实现绿色可持续发展。

存在难点

目前Na-CO2电池的开发存在以下两个难点。

01

过量的金属Na负极容易形成枝晶,导致电池短路,带来安全隐患;且金属Na制备主要是通过电解熔融的NaCl或NaOH,制备过程能耗大。

02

Na2CO3导电性差,在较低过电位下实现Na2CO3的电化学分解极具挑战性。

突破进展

为解决上述难点问题,南开大学陈军教授课题组以溶解析出法在多壁碳纳米管表面上得到的Na2CO3廉价复合材料作为正极,导电碳(Super P)/Al电极作为负极,构建了无Na预填装的可呼吸Na-CO2电池。Na2CO3在工业上一般是先将廉价的CO2通入饱和NaCl氨水溶液中,再经过简单的煅烧就可以制得,同时,碳材料在自然界中本就存在广泛、廉价易得。

通过对充电容量的控制,实现了在负极一侧金属Na的定量生成,利用Super P较大比表面积的特点,成功抑制了枝晶的形成。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。他们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。

利用廉价的碳酸钠和碳材料构建的可呼吸Na-CO2电池结构示意图

未来展望

总之,此工作利用廉价、安全的Na2CO3和碳为起始原料成功地构建了可呼吸Na-CO2电池,避免了负极金属Na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CO2,该工作构建的可呼吸Na-CO2电池可望为探测和移民火星提供一种潜在的电化学能源系统。

《Research》作为《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊,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,正在快速提高期刊的国际知名度和影响力,刊登内容主要集中在:人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。

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