二氧化碳电瓶研制作而成功,CO2电瓶钻探再获突
分类:科学技术

原标题: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

记者16日获悉,南开大学化学学院陈军院士课题组利用廉价碳酸钠和碳纳米管制备出无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池。相关成果成为《研究》创刊号首篇发表文章。 据介绍,“可呼吸”电池初级版本是锂-氧电池,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。由此衍生出的可充钠-二氧化碳电池一般以金属钠为负极,碳等材料为正极,放电时从外界获取二氧化碳,充电时再放出二氧化碳。与锂-氧电池比,这类电池原料丰富、制备方便,还资源化利用二氧化碳气体,实现绿色可持续发展。 目前钠-二氧化碳电池开发存在一大难点: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,能耗污染大。陈军课题组克服了碳酸钠导电性差等难点,以溶解析出法在多壁碳纳米管表面上制备出碳酸钠廉价复合材料,并以此作正极,导电碳作负极,首次构建出无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池。该电池通过对充电容量控制可成功抑制枝晶形成,安全性大大增强,经测试在截容量为0.3mAh/cm2的条件下,循环100圈后仍能保证充电电压低于4V,课题组已组装出容量为350mAh、能量密度为183Wh/kg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避免了负极金属钠的预填装,能有效降低电池的安全隐患,为安全电池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,这一无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池有望为火星探测提供一种潜在电化学能源系统。

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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。

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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。

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