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還在為手機(jī)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(jié)？統(tǒng)統(tǒng)別擔(dān)心，西北工業(yè)大學(xué)納米能源材料研究中心謝科予教授團(tuán)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(shù)據(jù)顯示，該團(tuán)隊研制出的電池比同等體量的傳統(tǒng)鋰電池在續(xù)航能力上提升了7倍，而且所用材料更加環(huán)保。該研究在各類電子產(chǎn)品、交通工具甚至航空、航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
01
這個電池很神奇
隨著人類社會的快速發(fā)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。隨著新能源技術(shù)的層出不窮，各類電能儲存和轉(zhuǎn)換裝置逐漸發(fā)展起來，近年來，鋰離子電池一直在全球社會經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要的作用。然而，鋰離子電池的理論能量密度低、續(xù)航時間短的問題，已經(jīng)逐漸難以滿足人們的需求。如何發(fā)展研制出一種新的電池，在續(xù)航能力等指標(biāo)上有大幅提升，一直是謝科予教授團(tuán)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(tuán)隊一直研究的“鋰-二氧化碳電池”。如果仔細(xì)觀察，你會發(fā)現(xiàn)電池的一側(cè)并非封閉結(jié)構(gòu)，而是由許多孔洞構(gòu)成。據(jù)謝教授介紹，與目前已經(jīng)大量商業(yè)化應(yīng)用的鋰電池相比，鋰二氧化碳電池最大的優(yōu)勢就是具有更高的能量密度。實驗數(shù)據(jù)顯示，其容量比是鋰電池的7倍多，假設(shè)我們現(xiàn)在使用的手機(jī)電池可以續(xù)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(yōu)勢就是利用二氧化碳?xì)怏w提供電能，可謂是變“廢”為寶。同時在整個能量轉(zhuǎn)換過程中，比傳統(tǒng)的鋰電池更加綠色環(huán)保。除此以外，在一些特定的環(huán)境中，比如火星表面的二氧化碳濃度高達(dá)95％，深地深海等極端環(huán)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(fā)揮其優(yōu)勢。
02
核心技術(shù)的突破
鋰-二氧化碳電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用價值，作為金屬氣體電池家族之一，其工作原理與傳統(tǒng)電池相比都是全新的。
如何才能攻克這一巨大的挑戰(zhàn)呢？謝科予教授團(tuán)隊從催化反應(yīng)機(jī)理和電極的宏觀設(shè)計入手解決這一難題。
由于之前沒有做過此類研究，一切都是從零開始，從基礎(chǔ)的實驗體、實驗條件方案到測試的設(shè)備裝置都需要團(tuán)隊自己搭建。“我們摸索了一整年才把工藝搞清楚，”項目組成員王輝說。
在一次實驗中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)XPS峰有所偏移，為了找到其中原因，他們多次討論，深入分析、研究，甚至“跨界”閱讀固體物理書，請教多位物理老師，最終在固體物質(zhì)中找到了答案。團(tuán)隊設(shè)計了一種具有強(qiáng)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，并深入揭示其作用機(jī)制。鋰-二氧化碳電池的電化學(xué)性能得到了大幅度提升。
團(tuán)隊并不滿足于此，在材料方面，針對電池倍率性能差的問題，謝科予教授團(tuán)隊和新加坡國立大學(xué)Loh Kian Ping 教授合作共同設(shè)計了一種具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的共價有機(jī)框架。首次將其作為氣體電池擴(kuò)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(huán)效率，并極大地緩解了電池充放電過程中傳質(zhì)速度慢等問題。采用該材料作為正極氣體擴(kuò)散層后，鋰-二氧化碳電池表現(xiàn)出的優(yōu)異電化學(xué)性能在國內(nèi)外同類研究中屬于前列。研究成果發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)雜志《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，2019, 31 : 1905879.）、《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials 2019, 9, 1901806.）中。
03
顛覆性研究：小電池，大能源
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，目前謝科予教授團(tuán)隊所研究的鋰-二氧化碳電池已經(jīng)具備了在某些特定環(huán)境中應(yīng)用的能力，但距實際大規(guī)模生產(chǎn)還有很長的距離。比如在充電效率、電池充放電次數(shù)、成本控制等方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化提升。“后續(xù)我們可能會要圍繞鋰金屬負(fù)極方面做一些保護(hù)，更好地提高電池的循環(huán)效率。”團(tuán)隊成員周麗嬌稱。除此以外，團(tuán)隊未來還將試圖用固體聚合物替代現(xiàn)有的電解液，為鋰-二氧化碳電池提供更多應(yīng)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(xué)技術(shù)的飛躍式發(fā)展為許多行業(yè)帶來深刻變革。鋰-二氧化碳電池的關(guān)鍵材料與作用機(jī)制都與傳統(tǒng)不同，其顛覆性技術(shù)也必將為未來帶來無限可能。
人類的進(jìn)步和能源發(fā)展息息相關(guān)。很多年前，還是一名學(xué)生的謝科予偶然閱讀到一篇文章，其中提到，人類面臨的重大社會問題中，能源問題居于前列。從那時起，謝科予就下定決心利用所學(xué)知識為解決能源問題作貢獻(xiàn)。
在西北工業(yè)大學(xué)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(shè)計、合成及其在新能源領(lǐng)域中的基礎(chǔ)與應(yīng)用開展前沿研究，期望能在納米新材料制備及其交叉應(yīng)用領(lǐng)域走向國際前列。
近年來，納米能源材料研究中心在科學(xué)研究方面取得豐碩科研成果，先后承擔(dān)多項國家重點研發(fā)課題，GF強(qiáng)基工程等項目，研究工作先后發(fā)表在Nature Reviews Materials、Nature Communications等國際頂尖SCI期刊；在青年教師培養(yǎng)方面，引育國家級青年人才5人，省部級人才12人次；在平臺建設(shè)方面，依托團(tuán)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(shè)創(chuàng)新型國家，要加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，拓展實施國家重大科技項目，突出關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)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(jìn)我們的生活。我們使用著超長續(xù)航時間的手機(jī)、駕駛著對環(huán)境更友好的汽車出門遠(yuǎn)行，火星上、深淵里、到處都是鋰-二氧化碳電池的蹤跡……
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