南開大學化學學院陳軍院士課題組在利用廉價的碳酸鈉和碳納米管構建無鈉預填裝的“可呼吸”鈉-二氧化碳電池領域取得了突破性進展，相關研究成果作為《Research》創(chuàng)刊號首篇文章發(fā)表。

“可呼吸”電池的初級版本是鋰-氧電池，以金屬鋰作負極，正極為由碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構成的空氣電極，放電時從空氣中獲取氧氣，充電時再放出氧氣，因此被稱為“可呼吸”電池。在此基礎上衍生出的可充鈉-二氧化碳電池一般是以金屬鈉為負極，以碳等材料為正極，放電時從外界獲取溫室氣體二氧化碳，充電時再放出二氧化碳的一類電池。對比鋰-氧電池，這類電池不僅原料豐富、制備方便，增加了實驗過程中的安全性，二氧化碳作為溫室氣體，還可變廢為寶、資源化利用，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

但是目前鈉-二氧化碳電池開發(fā)存在難點：過量的金屬鈉負極容易形成枝晶，導致電池短路，帶來安全隱患，且金屬鈉制備主要是通過電解熔融氯化鈉或氫氧化鈉，能耗較大。課題組試圖從碳酸鈉出發(fā)構建鈉-二氧化碳電池，但由于碳酸鈉導電性差，因此在較低過電位下實現(xiàn)碳酸鈉的電化學分解比較困難?；谝陨想y點，陳軍課題組以溶解析出法在多壁碳納米管表面上得到的碳酸鈉廉價復合材料作為正極，導電碳作為負極，構建了無鈉預填裝的“可呼吸”鈉-二氧化碳電池。通過對充電容量的控制，實現(xiàn)了在負極一側金屬鈉的定量生成，利用導電碳較大比表面積的特點，成功抑制了枝晶的形成。

經(jīng)測試，該電池在截容量為0.3 mAh/cm2的條件下，循環(huán)100圈后仍能保證充電電壓低于4 V。課題組進一步組裝了容量為350 mAh、能量密度為183 Wh/kg（基于整個電池質量）的單體電池。

碳酸鈉在工業(yè)上制備容易，碳在自然界中廣泛存在，陳軍課題組研究成果利用廉價、安全的碳酸鈉和碳為起始原料成功地構建了“可呼吸”鈉-二氧化碳電池，避免了負極金屬鈉的預填裝，能有效地降低電池的安全隱患，為安全電池的設計提供了一種新思路。此外，火星大氣中含有95%的二氧化碳，該工作構建的“可呼吸”鈉-二氧化碳電池有望為火星探測提供一種潛在的電化學能源系統(tǒng)。

《Research》是中國科協(xié)和美國科學促進會聯(lián)手打造的全新綜合性高水平國際化英文科技期刊，是《Science》自1880年創(chuàng)建以來第一本合作期刊，其國際主編為美國明尼蘇達大學麥克凱特杰出教授崔天宏教授。《Research》開展了對中國兩院院士、美國科學院院士、加拿大科學院院士、各學科國內外高影響力學者的約稿和宣傳工作，希望通過《Science》的高影響力國際化傳播平臺和豐富的國際化高端學術資源，快速提高期刊的國際知名度和影響力，力爭在短期內辦成一本具有國際一流學術水平的國際著名綜合性科技期刊。自2018年8月22日起，《Research》創(chuàng)刊號文章開始陸續(xù)進行網(wǎng)絡OA出版，創(chuàng)刊號發(fā)表了包括劍橋大學、加州大學等高校的9篇文章，第一篇網(wǎng)絡出版的文章是陳軍院士此次關于“可呼吸”鈉-二氧化碳電池的研究成果。 

全文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2018/6914626/

來源：南開大學