南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳軍院士課題組利用廉價(jià)碳酸鈉和碳納米管制備出無鈉預(yù)填裝“可呼吸”鈉-二氧化碳電池。相關(guān)成果成為《研究》創(chuàng)刊號(hào)首篇發(fā)表文章。

據(jù)介紹，“可呼吸”電池初級(jí)版本是鋰-氧電池，放電時(shí)從空氣中獲取氧氣，充電時(shí)再放出氧氣，因此被稱為“可呼吸”電池。由此衍生出的可充鈉-二氧化碳電池一般以金屬鈉為負(fù)極，碳等材料為正極，放電時(shí)從外界獲取二氧化碳，充電時(shí)再放出二氧化碳。與鋰-氧電池比，這類電池原料豐富、制備方便，還資源化利用二氧化碳?xì)怏w，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

目前鈉-二氧化碳電池開發(fā)存在一大難點(diǎn)：過量的金屬鈉負(fù)極容易形成枝晶，導(dǎo)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，能耗污染大。陳軍課題組克服了碳酸鈉導(dǎo)電性差等難點(diǎn)，以溶解析出法在多壁碳納米管表面上制備出碳酸鈉廉價(jià)復(fù)合材料，并以此作正極，導(dǎo)電碳作負(fù)極，首次構(gòu)建出無鈉預(yù)填裝“可呼吸”鈉-二氧化碳電池。該電池通過對(duì)充電容量控制可成功抑制枝晶形成，安全性大大增強(qiáng)，經(jīng)測試在截容量為0.3mAh/cm2的條件下，循環(huán)100圈后仍能保證充電電壓低于4V，課題組已組裝出容量為350mAh、能量密度為183Wh/kg（基于整個(gè)電池質(zhì)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避免了負(fù)極金屬鈉的預(yù)填裝，能有效降低電池的安全隱患，為安全電池設(shè)計(jì)提供了一種新思路。此外，火星大氣中含有95%的二氧化碳，這一無鈉預(yù)填裝“可呼吸”鈉-二氧化碳電池有望為火星探測提供一種潛在電化學(xué)能源系統(tǒng)。