开通会员 近日，全国地方两会陆续闭幕。从媒体报道来看，各地不断释放更强的绿色发展信号，以锂离子电池为代表的新能源产业集群将继续扮演拉动经济增长的主力军角色。
现代社会，锂离子电池的应用有着非常重要的意义。在推动交通领域电气化的过程中，它作为核心部件间接促进二氧化碳排放大幅减少，而在储能领域则保障可再生能源电力供给的稳定性与可靠性。与此同时，科学家还在寻找新的技术路线，以实现更高能量密度和更低碳排放的能源技术。
而现在有一项新技术，不仅电池能量密度是传统锂离子电池7倍以上，还能在输出电能同时将二氧化碳固定为碳酸盐和碳，这就是锂—二氧化碳电池。
与锂离子电池类似，锂—二氧化碳电池的工作原理是，当对电池进行充电时，锂离子从电池正极经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中。同样道理，在电池使用，也就是放电过程中，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。放电过程特别之处在于，电池内的二氧化碳组分转变为碳酸锂和碳，从而实现二氧化碳固定和储能的灵活应用。
锂—二氧化碳电池的研究始于锂氧电池，也叫锂空气电池。1996年，来自波士顿东北大学的研究者首次制作了可充电锂氧电池，获得了每克1400毫安时的比容量，从而引发广泛的关注。要知道，直到今天普遍使用的正极材料才具有不到每克300毫安时的比容量。正如其名，锂空气电池利用金属锂与空气中的氧反应产生的能量来转化为电能。这种好似生物呼吸的充放电过程，也让这种电池得名“呼吸电池”。因为氧来自空气而无需预存在电池系统中，金属锂又具有较低的密度，所以锂空气电池的理论能量密度要远超锂离子电池。这意味着，电动汽车可以使用更小巧轻便的电池，同时续航能力还可超越传统燃油汽车。
不过，空气中并不只含有氧气，还有其他各种气体参与反应，产生的副产物会覆盖电极，使其很快丧失活性甚至引起电池短路。这一问题让不少锂空气电池不得不只能在纯氧环境中工作，从“锂空气电池”变成“锂氧气电池”。这样一来，“背上氧气瓶”的锂空气电池，不仅能量密度优势几乎丧失殆尽，还增添了“氧气瓶”这个额外的安全风险因素。
2011年，锂电先驱塔拉斯孔将二氧化碳引入锂氧电池，发现放电产物为更加稳定的碳酸锂，同时继承了原有的高能量密度优势。可以这样说，锂—二氧化碳电池既是一项关键的电池技术，又是一项重要的固碳技术，能为应对气候变化作出双重贡献。
众所周知，二氧化碳的反应活性远低于氧气，反应产物之一的碳酸锂在充电阶段会循环使用，但是碳的积累抑制了催化剂的活性和二氧化碳的扩散，引发了带电状态下的电解质分解，最终导致电池失效。因此，大量的研究人员聚焦于提高电池转化反应的速度。
中国科大的研究团队尝试引入合适浓度的氧气，辅助锂—二氧化碳电池突破了工程瓶颈，使二氧化碳的工业利用成为可能，其实际工作电压更高达2.65伏，而在这之前，其工作电压仅为1.1伏。国外的研究团队则摒弃了以往耗时、低效的试错法筛选催化剂，致力于开发多功能的电化学测试平台，加速筛选高效的催化剂，从而提高了碳的循环速度。
显然，以锂—二氧化碳电池为代表的下一代电池将在有效固定二氧化碳和先进储能方面发挥至关重要的作用，这不仅体现在日常生活中，也体现在工业生产中。毫无疑问，要厘清锂—二氧化碳电池的关键科学问题，需要依靠化学工程到材料科学、电化学、纳米技术等多学科和跨领域的研究，这也是促进其大规模应用的关键步骤。
（作者系远景科技集团工程师）