中國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出Li-N2充電電池 利用可逆反應(yīng)提升固化能效

 據(jù)外媒報(bào)道，由于氮?dú)庠诖髿鈱拥暮繕O為豐富，其一度被視為可再生能源(renewable energy)的重要來(lái)源之一。然而，由于其原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，氮?dú)庠咏Y(jié)構(gòu)在常規(guī)條件下難以被打破，這對(duì)想要將氮原子鍵(atoms bond)轉(zhuǎn)化為電能的科學(xué)家們而言，無(wú)疑是一大挑戰(zhàn)。

如今，中國(guó)的研究人員已研發(fā)出一款鋰-氮(Li-N–)充電電池，其原理在于可逆反應(yīng)6Li + N– ⇋ 2Li–N的運(yùn)用。該電池系統(tǒng)由鋰電池陽(yáng)極(Li anode)、基于醚類電解質(zhì)(ether-based electrolyte)、碳布陰極(carbon cloth cathode)組成，該電池的法拉第效率為59%。

該“概念驗(yàn)證(proof-of-concept)”設(shè)計(jì)被刊登在《化學(xué)》(Chem)雜志上，通過(guò)逆向的化學(xué)反應(yīng)為當(dāng)前的鋰-氮電池提供電能。與將氮鋰化合物(2Li3N)分解為鋰和氮?dú)?，借此獲得化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的能量不同，該研究機(jī)構(gòu)的Li-N2電池可在環(huán)境溫度條件下，在大氣氮(atmospheric nitrogen)中運(yùn)行，與鋰產(chǎn)生發(fā)生反應(yīng)后將生成氮鋰化合物。相較于其他鋰金屬電池，其能量輸出時(shí)間較短。

在室溫條件下，該款Li-N2電池的結(jié)構(gòu)及再充電性(rechargeability)如下：圖(A)Li-N2電池結(jié)構(gòu)圖，含有金屬鋰箔陽(yáng)極(Li-foil anode)、基于醚類的電解質(zhì)及共陰極(CC cathode)。圖(B)：電流密度為0.05 mA/cm2時(shí)，帶共陰極的Li-N2電池的氮?dú)夤袒€(N2 fixation curves)(藍(lán)色)及氮?dú)庋莼€(N2 evolution curves)(紅色)。圖(C)：掃描頻率為0.05 mV/s時(shí)，在氮?dú)怙柡痛髿?黑色)及氬氣飽和大氣下(紅色)，Li-N2電池的控制點(diǎn)曲線(CV curves)。圖(D)：電流密度為0.05 mA/cm2時(shí)，Li-N2電池的循環(huán)性能。

該研究團(tuán)隊(duì)已論證，這款Li-N2電池能夠在室溫和大氣溫度下進(jìn)行充電，其涉及一下可逆的電池反應(yīng)(reversible battery reactions)：

(化學(xué)方程式1)陽(yáng)極：6Li ⇋ 6Li+ + 6e−

(化學(xué)方程式2)陰極：6Li+ + N2 + 6e− ⇋ 2Li3N

(化學(xué)方程式3)整體：6Li+ + N2 ⇋ 2Li3N

該研究團(tuán)隊(duì)調(diào)查了釕共陰極(Ru-CC)及二氧化鋯共陰極(ZrO2-CC)這兩類復(fù)合陰極的使用，進(jìn)而提升氮?dú)夤袒苄?。帶陰極催化劑(catalyst cathodes)的Li-N2電池的固化能效要比原始共陰極(pristine CC cathodes)的固化能效高。

該項(xiàng)研究由中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部(Ministry of Science and Technology of China)及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)(National Natural Science Foundation of China)提供資金支持。