新电池突破：一边放电一边固碳，能量密度是锂电池7倍

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环球零碳

碳中和领域的《新青年》  

撰文 | Yinyin

编辑 | 小棠

→这是《环球零碳》的第783篇原创

电池的应用有着非常重要的意义。动力电池是交通领域实现电气化的核心，能够间接促进二氧化碳排放的大幅减少；电池在储能领域的应用则可以保障可再生能源电力供给的稳定性与可靠性。

但如何达到电池既便宜，又能量密度大，还能寿命更长？科学家在进行不断探索，各种技术路线也各显神通。锂离子电池是目前的主流。

而现在正有一项新技术，不仅电池能量密度是传统锂离子电池的7倍以上，还能够在输出电能的同时将二氧化碳固定为碳酸盐和碳，它就是锂-二氧化碳电池（Li-CO2 Batteries）。

锂-二氧化碳电池同时具有储能和固碳的双重优势，可谓是“一举两得”。

这项具有广泛应用前景的新型电化学储能系统从诞生之初就吸引了广大科研工作者的研究兴趣。

不过任何一种新技术的发展和应用都需要一步一步实现。研究人员表示，锂-二氧化碳电池的开发仍处于早期阶段，比如其中最重要的催化剂的生产方法，仍然相对缓慢且效率低下，需要寻找高效的电催化剂并深入了解其反应机理。

因此，萨里大学、伦敦帝国理工学院和北京大学最近开发出了一种新型电化学测试平台，有助于加速锂-二氧化碳电池催化剂的评估与开发。与传统方式相比，这种新方法极具成本效益、效率和可控性，有望攻克锂-二氧化碳电池发展应用所面临的难题。

01

锂-二氧化碳电池的前世今生

现代意义上的二次（可充电）锂离子电池诞生于1983年，这也让当时推动锂离子电池发展的关键人物吉野彰博士获得了诺贝尔化学奖。

后来为了满足更多设备和约束条件下的使用要求，科研人员继续投入了对锂-氧（Li-O2）电池（即锂空气电池）的研究。现在的锂-二氧化碳电池，也是在这一基础上发展起来的。

锂二氧化碳电池的工作原理是当对电池进行充电时，锂离子从电池正极经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中。因此，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

同样道理，在电池使用（放电）的过程中，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。

图说：锂-二氧化碳电池工作原理

来源：Science Direct

作为一种具备极大发展潜力的可充电电池，锂-二氧化碳电池的能量密度极高，而能量密度越高的电池，单位体积内储存的电量也就越多。

据了解，目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。中科院院士孙世刚表示，目前锂离子电池的能量密度已接近了天花板。而锂-二氧化碳电池的理论能量密度高达1876Wh/kg，是普通锂离子电池的7倍以上。

不仅如此，Li-CO2电池中的可逆电化学反应：4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2.80 V vs Li/Li+)也是固定CO2的新途径。传统的CO2固定方法需要连续的能量供给，如果这份能量供给是基于化石燃料产能，反而会排放更多的CO2。相比之下，锂-二氧化碳电池的固碳方式就清洁得多。

可以说锂-二氧化碳电池既是一项关键的电池技术，又是一项重要的固碳技术，能够为应对气候变化做出双重贡献。

但由于目前还处于发展的初级阶段。影响锂-二氧化碳电池效能的因素有很多。

在电池反应过程中，碳酸锂（Li2CO3）作为主要放电产物是一种宽带隙绝缘子，这将导致其在充电过程中的分解动力学变慢；在循环过程中，Li2CO3的不完全分解和不可逆转化的形成，以及固体碳酸盐物质在阴极表面的积累，也会导致电化学性能的明显下降，直至Li-CO2电池的“猝死”。

针对这一难题，开发双向催化剂来加速放电和充电过程中的转化反应动力学，是提高Li-CO2电池的能效和循环寿命的关键。

02

多功能电化学测试平台有何用？

为应对相应挑战，萨里大学、伦敦帝国理工学院和北京大学的研究人员设计了一种多功能电化学测试平台（on-chip electrochemical testing platform），可以同时进行多项工作。这个平台有助于电催化剂筛选、优化操作条件以及研究高性能锂-二氧化碳电池中的二氧化碳转化。

研究人员表示，传统的Li-CO2电池催化剂探索方法主要依靠试错法和单模式表征/测试技术，既耗时又低效。

因此，必须建立一个简化的多功能测试平台，以便以较短的时间和纳米级空间分辨率快速筛选催化剂，进行多模式表征测试，从而更全面地了解Li-CO2电池这一新兴技术并加速其发展。

研究人员开发设计出的“片上锂-二氧化碳电池实验平台”（lab-on-a-chip LCB platform）具有三电极电化学测试、催化剂筛选以及原位探测化学成分和形态演变的功能。

图说：平台示意图，该阵列能够 (ii) 筛选阴极催化剂和；(iii) 执行三电极测试；原位 EC-Raman 光谱和 EC-AFM 功能

来源：Energy & Environmental Science

研究人员利用这个平台，系统地评估了一系列候选催化剂促进转化反应的潜力，并研究了它们的可逆性和反应途径。

其中候选催化剂包括高密度纳米颗粒状态的铂、金、银、铜、铁和镍。最终发现，铂纳米粒子作为催化剂时电池具有明显的最小极化表现（0.55 V）、最高的可逆性以及新的反应路径，展示出了优越的性能。而这一实验结果也揭示出了锂-二氧化碳电池的发展潜力。

研究人员表示，锂-二氧化碳电池（LCB ）平台还可以在进一步的探索中发挥重要作用，包括：

（1）通过集成微流控系统或在平台上图案化不同的准固体电解质，为锂-二氧化碳电池反应筛选具有稳定溶剂的电解质；

（2）探索不同的锂阳极保护策略或为锂-二氧化碳电池筛选其他预锂化阳极。

“开发负排放新技术至关重要。我们的片上实验室平台将在实现这一目标方面发挥关键作用。它还可以应用于其他系统，如金属空气电池、燃料电池和光电化学电池。”伦敦帝国学院高级讲师Yulong Zhao说。

总体来看，LCB平台的设计，有望攻克锂-二氧化碳电池发展所面对的难题，包括催化剂的快速筛选、反应机理研究以及从纳米科学到尖端碳清除技术的实际应用。

首图来源：INHabitat

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参考资料：

[1]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D3EE00794D

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230822111650.htm

[3]Unveiling the mysteries of operating voltages of lithium-carbon dioxide batteries | PNAS

[4]https://www.cas.cn/cm/202302/t20230215_4875010.shtml

[5]http://www.cailiaoniu.com/97974.html

[6]http://clxy.hnu.edu.cn/info/1067/3759.htm

[7]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20660467

[8]https://www.sigs.tsinghua.edu.cn/2022/0222/c1209a31269/page.htm

[9]https://www.wipo.int/wipo_magazine/zh/2020/03/article_0004.html

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