你還在為手機一天一充電煩惱嗎？你還在為新能源汽車不敢跑高速而糾結嗎？西北工業大學納米能源材料研究中心謝科予教授團隊研製的鋰-二氧化碳電池，為徹底解決這些問題提供了可能！實驗數據顯示，這種新型電池比同等體量的傳統鋰電池在續航能力上提升了7倍，所用材料更加環保。該研究在各類電子產品、交通工具甚至航空、航天領域具有廣闊的應用前景。
近年來，鋰離子電池一直在全球社會經濟中發揮着重要作用，但其理論能量密度低、續航時間短，已難以滿足人們的需求。研製新的電池，大幅提升續航能力等指標，一直是謝科予教授團隊研究的方向。
在謝科予的實驗室，有一塊圓形的紐扣電池，這就是該團隊研究的“鋰-二氧化碳電池”。仔細觀察發現，它個頭小，電池的一側並非封閉結構，而是由許多孔洞構成。
謝科予教授介紹説，“與目前已經大量商業化應用的鋰電池相比，鋰-二氧化碳電池最大的優勢就是具有更高的能量密度。實驗數據顯示，其容量比是鋰電池的7倍，假設我們現在使用的手機電池可以續航3天，未來使用同等重量同等體積的鋰-二氧化碳電池，或許可以使用21天甚至更久。”
它的另一個優勢就是利用二氧化碳氣體提供電能，變“廢”為寶。在整個能量轉換過程中，比傳統的鋰電池更加綠色環保。除此以外，在一些特定的環境中，比如火星表面的二氧化碳濃度高達95％，深地深海等極端環境二氧化碳濃度較高，在此類探索工程中，鋰-二氧化碳電池可以“就地取材”，更好地發揮其優勢。
鋰-二氧化碳電池具有巨大的發展潛力及應用價值，作為金屬氣體電池家族之一，其工作原理與傳統電池相比都是全新的。
謝科予教授團隊從催化反應機理和電極的宏觀設計入手解決這一難題。
該團隊設計了一種具有強界面電子相互作用的硫化鋅量子點——氮摻雜石墨烯雙向催化劑，首次將界面相互作用引入鋰-二氧化碳電池，並深入揭示其作用機制。鋰-二氧化碳電池的電化學性能得到了大幅度提升。
在材料方面，針對電池倍率性能差的問題，該團隊和新加坡國立大學Loh Kian Ping 教授合作共同設計了一種具有結構穩定的共價有機框架，首次將其作為氣體電池擴散層引入鋰-二氧化碳電池中，有效地提高了電池的充放電循環效率，極大地緩解了電池充放電過程中傳質速度慢等問題。採用該材料作為正極氣體擴散層後，鋰-二氧化碳電池表現出的優異電化學性能在國內外同類研究中屬於前列。研究成果發表在材料科學領域著名學術雜誌《先進材料》、《先進能源材料》上。
據瞭解，根據實驗數據，該團隊研究的鋰-二氧化碳電池已經具備了在某些特定環境中應用的能力，但距實際大規模生產還有很長的距離，比如在充電效率、電池充放電次數、成本控制等方面還需要進一步優化提升。團隊成員周麗嬌説，“後續我們可能會圍繞鋰金屬負極方面做一些保護，更好地提高電池的循環效率。”還將試圖用固體聚合物替代現有的電解液，為鋰-二氧化碳電池提供更多的應用場景。
從鉛酸電池到鋰離子電池，科學技術的飛躍式發展為許多行業帶來深刻變革。鋰-二氧化碳電池的關鍵材料與作用機制都與傳統不同，其顛覆性技術也必將為未來帶來無限可能。
或許在未來的某一天，二氧化碳不再被稱為廢氣，鋰-二氧化碳電池真的可以走進我們的生活。我們使用着超長續航時間的手機、駕駛着對環境更友好的汽車出門遠行，火星上、深淵裏、到處都是鋰-二氧化碳電池的蹤跡……
文：文匯報駐陝記者韓 宏據西安工業大學官網
圖：西安工業大學納米能源材料研究中心
編輯：趙徵南
責任編輯：劉 棟