出品：科普中国
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作者：谈鹏 张卓君（中国科学技术大学）
监制：中国科普博览
近几年来，随着锂离子动力电池技术发展逐渐成熟，马路上电动汽车疾驰而过的身影也随处可见。电动汽车的续航里程一直是人们关注的重点指标，它直接由所搭载锂离子电池的储电量决定。
电动汽车产业蓬勃发展
（图片来源：Veer图库）
我们通常使用能量密度这一概念来评价电池能储存电量的能力。有这样一种电池，它的能量密度是锂离子电池的7倍以上，在放电的时候以二氧化碳为燃料，将二氧化碳中的部分能量转变为电能为我们所用。
这样看来，这种神奇的电池既能释放更多的“电能”，又能够对温室效应的罪魁祸首——二氧化碳，进行“废物利用”，积极响应了“双碳”目标，可谓是一举两得。它，就是锂-二氧化碳电池！
实现“供能”和“双碳”目标两不误
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我国的能源格局
目前，通过不断的新旧能源改革发展，我国逐步形成了全球最大的能源供应体系，建成了以煤炭为主体，以电力为中心，以石油、天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局。其中，化石能源在我国能源供应中占主体地位。
化石燃料燃烧导致大量废气排放
（图片来源：Veer图库）
我国对二氧化碳大量排放导致的温室效应问题高度重视，为了尽快实现“双碳”的目标，围绕能源绿色低碳发展制定了一系列政策措施。一方面减少化石燃料的使用，一方面规划使用非化石能源来满足基本的能源需求。电化学储能作为一项高效的技术手段引起了社会广泛关注。
锂-二氧化碳电池VS锂离子电池
锂-二氧化碳电池的结构和工作原理，与我们熟悉的锂离子电池有一定差异。锂离子电池的正极材料通常为含锂化合物，负极材料为石墨，充放电依靠锂离子对于石墨和含锂化合物的嵌入和脱出来实现。1985年，诺贝尔化学奖获得者吉野彰首次制作了第一个现代意义上的二次锂离子电池。1991年，索尼公司开始大规模生产商用锂离子电池。
商业化锂离子电池模组
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同时，为了满足更多设备和约束条件下的使用要求，锂电先驱塔拉斯孔等人开始研究锂氧电池。锂氧电池的正极采用一种疏松多孔的导电介质（通常称之为气体正极），负极采用的是金属锂。
其工作过程是：在放电过程中，锂失去电子成为锂离子，从锂负极脱出，随后扩散到正极一侧；气态氧溶解在电解液中，随后扩散到多孔电极内部，在电解液和电极界面处发生氧还原反应，并与锂离子结合产生固态产物过氧化锂，最终储存在正极孔隙中。充电时，过氧化锂分解，同时释放出氧气；锂离子在负极表面得到电子并沉积。
锂氧气电池中传质与反应过程示意图
（图片来源：中国科学技术大学谈鹏课题组）
研究者思考，既然氧气可以作为活性物质，那么其他气体行不行？随后的锂-二氧化碳电池，正是在锂氧电池的基础上发展起来的，具有和锂氧电池类似的结构。放电所产生的固体产物为碳酸锂和碳，这样就同时实现了供能和固碳。
锂-二氧化碳电池结构与工作原理示意图
（图片来源：中国科学技术大学谈鹏课题组）
要想达到储能的目的，则需实现二次电化学可充性：锂-二氧化碳电池的充电过程即为碳酸锂和碳的分解过程，及锂的沉积过程。然而，要想让二氧化碳电池源源不断地固碳，就不需要进行充电了。碳酸锂在分解时会产生二氧化碳，这样固定的碳就又回到环境中了。
那么怎样实现不充电的锂-二氧化碳电池呢？一种理想的方法是让电解液流动起来，通过对反应过程加以控制，流动的电解液能够将放电时产生的固体产物或者中间产物带离电池体系，并储存在事先准备的罐体中。由于固体产物没有储存在气体正极中，自然也不需要对它充电了。这一点是锂离子电池无法做到的，由反应原理所决定。
把二氧化碳换上场，难。
锂-二氧化碳电池的发展之路并非一片坦途。虽然这种电池具有很高的理论能量密度，但它的实际能量密度却比较受限。能量密度的计算方式很简单：理论比容量（mAh/g）×理论电压（V），任意一项不能达到理论值都会造成能量密度的衰减。
在日常生活中，我们对于二氧化碳的惰性性质比较熟悉，它是一种非常稳定的分子，可以用来作为灭火器中的主要成分，或者作为贮运过程的保护气，减少果蔬肉类的氧化和呼吸消耗。
也正是由于二氧化碳稳定的惰性性质，虽然锂-二氧化碳电池热力学上的理论电压为2.8 V，但实际放电的电压损失很大。笔者课题组的研究人员发现，锂-二氧化碳电池的实际电压通常在1.1 V左右，难以产生类似于锂氧电池的高电压（>2.5 V）。
锂-二氧化碳电池还面临着使用寿命短的问题。对于固碳，虽然实现电解液流动能够将部分固体产物带离电池体系，但仍不能避免它们在电极表面沉积，固碳效果也将随着电极逐渐钝化而衰减。
对于储能，碳酸锂和碳是以固态的形式固定在多孔电极中，在电池充电后，部分碳酸锂难以完全分解。久而久之，电极内部的孔隙将被逐渐堵塞，造成物质传输缓慢，并且碳酸锂覆盖在空气电极表面，使得电子传导困难，导致较高的充电电压（>4.0 V），造成电解液和电极材料分解。
新电池，新未来
虽然问题很多，但总有解决的办法。笔者的课题组通过解耦空气组分，研究了调控锂-二氧化碳电池放电电压的方法，解释了长期以来其电压测试不稳定的原因。
研究发现，在二氧化碳中混入1%氧气和500 ppm（百万分率）水即可将电压提升至2.0 V左右，同时能量密度也将翻倍增长。氧气和水的引入改变了碳酸锂的生成路径，从而降低了能量势垒；碳酸锂的形貌和晶型也发生明显变化，缓解了电极钝化现象，因此电极能够为反应发生和物质吸附提供更多活性位点，进而加速电化学反应进程。这项研究重新定位了下一代锂-二氧化碳电池的发展和应用方向。
为了尽快实现锂-二氧化碳电池的应用，在科学研究上还需要做出以下努力：一方面，进行纯二氧化碳环境下的机理研究，开发真正适配于二氧化碳还原的组件(如催化剂、电解质和电极)，而不是复制先前的研究或锂氧电池的经验；另一方面，对气体辅助（如氧气、水和一氧化碳）的二氧化碳电池中的反应机理和传输过程进行深入研究，揭示辅助气体在该体系中所发挥的作用。
采用其他气体辅助的研究策略既能够提升电池性能，又能促进锂-二氧化碳电池的应用面向更复杂的气体环境。例如，在工业废气中含有大量的二氧化碳和其他气体，利用二氧化碳电池可以在固碳的同时产生电能；火星大气中有极高浓度的二氧化碳，可以利用二氧化碳作为火星车的“燃料”输出电能……
火星探测车有望搭载气体辅助的二氧化碳电池
（图片来源：Veer图库）
或许不久后的将来，在大规模废气处理或深空探测领域中，我们便能够看到这位电池界新秀的身影大显神威了！
结语
在达成“双碳”目标的路上，解决能源问题是最重要的发展方向之一，锂-二氧化碳电池的储能属性、固碳属性，使其在能源问题中发挥出了重要的作用。未来，将会有更多的科技创新助力“双碳”，要相信，中国科学家一直都在创新的路上奋勇向前。
注：本文相关成果为博士后肖旭和博士研究生张卓君在谈鹏教授的指导下完成，已在国际学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS)上在线发表。
编辑：孙晨宇
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