還在為手機一天一充電而煩惱嗎？還在為新能源汽車不敢跑高速而糾結？統統別擔心，西北工業大學納米能源材料研究中心謝科予教授團隊所研究的二氧化碳電池，為徹底解決這些問題提供了可能。實驗數據顯示，該團隊研製出的電池比同等體量的傳統鋰電池在續航能力上提升了7倍，而且所用材料更加環保。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。
01
這個電池很神奇
隨着人類社會的快速發展，能源枯竭和全球變暖等問題也日益加劇，尋找解決以上問題的方法已成為科研工作者的重中之重。隨着新能源技術的層出不窮，各類電能儲存和轉換裝置逐漸發展起來，近年來，鋰離子電池一直在全球社會經濟中發揮着重要的作用。然而，鋰離子電池的理論能量密度低、續航時間短的問題，已經逐漸難以滿足人們的需求。如何發展研製出一種新的電池，在續航能力等指標上有大幅提升，一直是謝科予教授團隊研究的方向。
在謝科予教授的實驗室，我們看到了各式各樣的新型電源，其中一塊圓形的紐扣電池引起了記者的注意，別看它個頭小， 它就是謝教授團隊一直研究的“鋰-二氧化碳電池”。如果仔細觀察，你會發現電池的一側並非封閉結構，而是由許多孔洞構成。據謝教授介紹，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倍多，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。
另外一個優勢就是利用二氧化碳氣體提供電能，可謂是變“廢”為寶。同時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。
02
核心技術的突破
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。
如何才能攻克這一巨大的挑戰呢？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。
由於之前沒有做過此類研究，一切都是從零開始，從基礎的實驗體、實驗條件方案到測試的設備裝置都需要團隊自己搭建。“我們摸索了一整年才把工藝搞清楚，”項目組成員王輝説。
在一次實驗中，團隊發現XPS峯有所偏移，為了找到其中原因，他們多次討論，深入分析、研究，甚至“跨界”閲讀固體物理書，請教多位物理老師，最終在固體物質中找到了答案。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。
團隊並不滿足於此，在材料方面，針對電池倍率性能差的問題，謝科予教授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，並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》中。
03
顛覆性研究：小電池，大能源
根據實驗數據，目前謝科予教授團隊所研究的鋰-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。“後續我們可能會要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。”團隊成員周麗嬌稱。除此以外，團隊未來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應用場景。
納米能源材料研究中心師生
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。
人類的進步和能源發展息息相關。很多年前，還是一名學生的謝科予偶然閲讀到一篇文章，其中提到，人類面臨的重大社會問題中，能源問題居於前列。從那時起，謝科予就下定決心利用所學知識為解決能源問題作貢獻。
在西北工業大學納米能源材料研究中心，還有一批像謝科予一樣的老師，他們圍繞納米材料設計、合成及其在新能源領域中的基礎與應用開展前沿研究，期望能在納米新材料製備及其交叉應用領域走向國際前列。
近年來，納米能源材料研究中心在科學研究方面取得豐碩科研成果，先後承擔多項國家重點研發課題，GF強基工程等項目，研究工作先後發表在Nature Reviews Materials、Nature Communications等國際頂尖SCI期刊；在青年教師培養方面，引育國家級青年人才5人，省部級人才12人次；在平台建設方面，依託團隊建立省部級重點實驗室1個。
黨的十九大報告指出，要加快建設創新型國家，要加強應用基礎研究，拓展實施國家重大科技項目，突出關鍵共性技術、前沿引領技術、現代工程技術、顛覆性技術創新……
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……