近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（下稱“中國科大”）化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授陳維課題組在電池研究領(lǐng)域連發(fā)兩項成果。
其中一項為首次報道氫氣電極作為正極的電池化學(xué)新體系，為基于氫氣正極設(shè)計高性能電池提供了一種新途徑。該項研究發(fā)表在國際期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed）上，題為“Rechargeable lithium-hydrogen gas batteries”。
研究團隊表示，氫氣（H2）作為最具前景且經(jīng)濟高效的可再生資源之一，憑借其合適的氧化還原電位、低過電位以及長期穩(wěn)定性，可在與高活性電催化劑結(jié)合時，成為一種極具吸引力的電池電極材料。
實際上，自20世紀60年代以來，可充電的鎳-氫氣（Ni-H）電池化學(xué)因其高穩(wěn)定性、可靠性和耐久性，已被NASA成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域超過30年。
近年來，陳維等人聚焦于氫氣電池，創(chuàng)制了不同類型的氫氣電池體系，包括先進的鎳-氫氣電池、鹵素-氫氣電池、質(zhì)子-氫氣電池以及碳-氫氣電池等，并在大規(guī)模儲能中展現(xiàn)出巨大潛力。
上述這些體系均將氫氣電極用作負極。在這項最新的研究成果中，研究團隊則提出，氫氣的優(yōu)異氧化還原特性不僅使其可作為負極，還可作為極具潛力的正極，與低電位負極配對?；跉錃庹龢O的電池在與堿金屬負極結(jié)合時，可展現(xiàn)出更高的能量密度和工作電壓。其中，鋰金屬負極在高電壓和高能量密度的氫氣電池應(yīng)用中具有巨大潛力。
Li-H電池結(jié)構(gòu)和工作示意圖。中國科大官網(wǎng)
最新成果首次報道了一種可充電鋰金屬-氫氣（Li-H）電池，該電池利用了最輕的兩種元素Li和H。研究顯示，H2正極的優(yōu)異特性使該電池展現(xiàn)出極具吸引力的電化學(xué)性能，包括高達2825 Wh kg-1的理論比能量、3 V的放電電壓、99.7%的循環(huán)能量效率、5-20 mAh cm-2的可逆面容量、-20℃至80 ℃的寬工作溫區(qū)及活性材料的高利用率。
此外，研究團隊還進一步構(gòu)建了一種無負極Li-H電池，在首次充電時從低成本的鋰鹽中沉積鋰金屬生成負極，進一步提升了電池的實際能量密度和經(jīng)濟適用性。
同樣在近日，陳維課題組的另一項研究成果發(fā)表在國際期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》（Nature Sustainability）上，題為“Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation”。首次提出了一種基于電化學(xué)原理的綠色可持續(xù)廢棄物回收管理策略，能夠同時實現(xiàn)廢舊鋰離子電池正極材料中的鋰資源回收和工業(yè)尾氣中的氮氧化物污染物的捕獲和轉(zhuǎn)化。
研究團隊巧妙設(shè)計了一種無能量消耗的回收方法，利用尾氣中二氧化氮的電化學(xué)還原電位與廢舊電池正極材料的電化學(xué)氧化電位差，不僅成功回收了廢舊電池正極材料中的鋰資源，還將二氧化氮轉(zhuǎn)化為高價值的硝酸鋰鹽。
與此同時，這一過程還能實現(xiàn)大量的能量輸出，為鋰回收與污染物治理提供了一種高效、環(huán)保且具有經(jīng)濟價值的全新解決方案。
廢舊鋰離子電池正極和二氧化氮污染物同時回收設(shè)計思路。中國科大官網(wǎng)
具體而言，鋰離子將自發(fā)地從廢舊鋰電池正極材料中脫出進入電解液中，而另一側(cè)的二氧化氮則會被還原為亞硝酸根，兩者結(jié)合形成的亞硝酸鋰為直接的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，同時產(chǎn)生大約0.4 V的輸出電壓。電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物亞硝酸鋰則會被空氣中的氧氣進一步氧化成為更加穩(wěn)定的硝酸鋰產(chǎn)物。
研究團隊還分析了上述回收策略與傳統(tǒng)回收策略在經(jīng)濟和環(huán)保等方面的優(yōu)劣勢。針對電池回收工藝中各個主要回收步驟的能耗、二氧化碳排放以及成本收益進行系統(tǒng)性的核算后顯示，他們所提出的回收工藝在能耗和二氧化碳排放量上遠遠低于目前主流的回收策略，表明該策略在綠色可持續(xù)經(jīng)濟上具有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢。對成本收益計算結(jié)果分析，表明該策略也是優(yōu)于其它四種傳統(tǒng)回收策略。
陳維系中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系特任教授、博士生導(dǎo)師，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心教授。值得一提的是，其于2014-2018年期間在斯坦福大學(xué)從事博士后研究工作，導(dǎo)師為美國國家科學(xué)院院士，世界著名的材料和能源科學(xué)家崔屹教授。
陳維于2019年7月入職中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，專注于大規(guī)模儲能電池、電催化等研究。官網(wǎng)顯示，其主要研究方向為氫氣二次電池的開發(fā)與應(yīng)用、新型水系離子儲能電池、電催化劑的微觀調(diào)控與機理探索。
