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金属-CO2电池:温室气体CO2化身能量源泉

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析


全球变暖是人类社会目前所面临的一个严重问题,CO2作为主要的温室气体备受关注,特别是近年来大气中CO2的含量一直呈现出逐年增长的趋势。2016年其含量已经超过400 ppm,严重制约了人类社会的可持续发展,如何减少CO2的排放,降低人为气候的影响,成为当今社会普遍关注的问题。CO2的资源化转化利用是一条理想的出路,同时也成为国际上研究的热点和难点。


金属-CO2电池成功将CO2应用于能源存储领域,在保证能源输出的同时有效降低CO2的排放。近日,南开大学周震教授(点击查看介绍对金属-CO2电池的发展历程、研究现状以及目前该领域尚存在的关键问题和未来的发展方向进行了总结与评述


文章详细介绍了金属-O2/CO2一次和二次电池、高温金属-CO2一次电池以及室温金属-CO2一次和二次电池,其中金属-O2/CO2一次电池对回收利用工业烟气、汽车尾气中CO2的排放具有重要的研究价值;金属-O2/CO2二次电池能够为锂空气电池研究领域提供助力,加快其实用化进程;室温金属-CO2二次电池是CO2应用于能源存储领域的最终目标,该体系不仅能够有效降低CO2的排放,更可以为火星等富含CO2的星球探测提供动力来源。此外,文章对金属-CO2电池的储能机制和金属碳酸盐在储能体系中的转化应用进行了分析,对目前金属-CO2电池发展中各方面存在的问题和挑战进行了系统总结,对未来的研究方向提出了见解,其中包括深入研究充放电反应机理、开发稳定电解液、研发高效正极催化材料和开发新型电池体系等,有助于推动金属-CO2电池的全面发展。


文章近期发表在Advanced Materials上,第一作者为南开大学谢召军博士。


该论文作者为:Zhaojun Xie, Xin Zhang, Zhang Zhang, Zhen Zhou*

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Metal-CO2 Batteries on the Road: CO2 from Contamination Gas to Energy Source

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605891


周震教授简介


周震,山东龙口人,南开大学材料科学与工程学院教授、新能源材料化学研究所所长。1994年本科毕业于南开大学,获理学学士学位;1999年毕业于南开大学,获得理学博士学位,同年留校任讲师。2001-2005年赴日本名古屋大学从事日本学术振兴会(JSPS)等机构资助的博士后研究。2005年作为副教授(引进人才)回到南开大学继续从事教学科研工作。2010年底晋升教授,2011年起任博士生导师。


主要研究兴趣是通过计算与实验相结合设计纳米结构新能源材料及能源存储体系。在Prog. Mater. Sci.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.等期刊上发表SCI摘录论文210余篇。论文被他人正面引用8500余次,h-index为55。19篇论文入选ESI近十年高被引论文。多篇论文被Nature China、美国化学会网站首页、JACS Spotlights和《科技日报》等推荐和报导。2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2014年获得天津市自然科学二等奖(第一完成人)。2014-2016年连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。2016年入选天津市中青年科技创新领军人物。《物理化学进展》、Current Graphene Science (Bentham Science)主编和Green Energy and Environment 编委。中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员。


http://www.x-mol.com/university/faculty/11977


科研思路分析


Q:课题组对于研究金属-CO2电池的想法是怎么产生的?

A:目前许多研究金属-CO2电池的课题组是基于金属空气电池的研究,准确地说是在研究CO2对金属氧气电池影响的过程中发展起来的。而我们课题组关于可充电Li-CO2电池的构想迸发于课题组成员苏利伟博士2013年的一次实验,发现碳酸盐做锂离子电池负极储锂容量非常高,且在反应过程中产生CO2气泡。此后博士生张彰开始建立锂氧气电池的研究平台,经团队成员反复实验,不断改进电极性能,2015年首次将石墨烯用作Li-CO2电池的空气电极,并表现出十分优异的性能。通过对空气电极结构的深入研究分析,又引入了碳纳米管作为正极活性材料,进一步提高了电池的循环稳定性能。


Q:目前金属-CO2电池研究领域还有哪些关键问题需要解决?未来的发展方向又在哪些方面?

A:金属-CO2电池的充放电反应机理还需要进一步深入研究,特别是结合各种原位测试方法检测碳酸盐和碳的生成与转化。开发高稳定性电解液对于提高金属-CO2电池的电化学性能至关重要。由于充电电压过高会导致现有电解液的氧化分解,而金属碳酸盐的分解又会伴随生成高活性的氧自由基。参照锂空气电池正极材料的发展过程,寻找促进金属碳酸盐分解的高活性催化剂是未来该领域主要的研究方向,有助于提高金属-CO2电池的整体性能。同时,研究探索其它种类的金属-CO2电池,构建不同类型的电池体系,增加金属-CO2电池的可逆性能同样需要深入开展。


Q:金属-CO2电池有没有潜在的产业化优势?

A:从战略意义上讲,金属-CO2电池不但可以将CO2资源化利用,减少化石燃料的消耗,还能够作为未来火星移民的潜在能源体系,因为火星表面大气中CO2的含量高达95%左右。实际上,金属-CO2电池的工业化应用必然涉及到气体储罐。相比于压缩氧气,CO2的存储占有很大优势。当气体在30 ℃下压缩到相对安全和实用的120 bar压强时,压缩氧气的密度只有0.160 kg/L,而CO2的密度则为0.802 kg/L。此外,采用更为经济的固态干冰,或将CO2作为超临界流体进行使用,能够同时作为活性物质和电解液溶剂,采取液流电池的方式进行工作。由此可见,金属-CO2电池具有很明显的产业化优势,是一种潜在的环境友好、高能量密度、高功率密度的车载储能体系。


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