天津日报：南开大学材料科学与工程学院在新能源材料领域取得多项突破

　　近年来，南开大学材料学院新能源材料化学研究所周震教授带领团队在可充电锂氧气电池、锂二氧化碳电池和室温钠离子电池等研究中取得多项重要突破，为这些新能源器件的实际应用奠定了基础。

　　可充电锂氧气电池

　　锂氧气电池以金属锂作负极，正极为由碳、贵金属或过渡金属氧化物等构成的空气电极，放电时从空气中获取氧气，充电时再放出氧气，因此被誉为“可呼吸”的电池。锂氧气电池具有理论上最高的储存能量能力，如果用作电动汽车电源可以连续行驶800公里，而相同体积的锂离子电池仅能使电动汽车连续行驶100公里。

　　周震带领团队成员于2014年设计出高活性的空气电极为可充电锂氧气电池的实用化打开了通道。他们通过简单易行的方法制备了一种具有不同形状和尺寸孔道的碳氮复合材料，作为电池的空气电极，表现出了非常高的电化学活性，尤其是电池的循环稳定性得到了明显改善，可以连续充放电160次以上。空气电极性能的改善得益于材料独特的结构，不同尺寸的孔结构为电化学反应和氧气传输提供了良好的场所和通道。这一研究成果引起国内外同行的关注和引用。周震团队在锂氧气电池中使用了独特的空气电极材料，并引入高性能计算来指导实验，加快了锂氧气电池相关材料的设计和研发进程。

　　周震介绍说，锂氧气电池是当今新能源领域的研究热点和难点，国内外许多高校和研究机构都致力于该项技术的突破。众所周知，全球气温变暖主要是由二氧化碳等温室气体大量排放造成的，如何减少二氧化碳的排放成为当今社会普遍关注的问题。如果能把二氧化碳变废为宝资源化利用是一条理想的出路。与锂氧气电池相似，如果将氧气换成二氧化碳，就构建出可充电锂二氧化碳电池，可将其称为“可呼吸电池2.0”。周震团队首次将石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极，以金属锂作负极，吸收二氧化碳释放能量。尽管与一代“可呼吸电池”锂氧气电池相比还很初级，但为推动二氧化碳的资源化利用以及从锂氧气电池实现锂空气电池迈出关键一步。

　　可充电锂二氧化碳电池

　　可充电锂二氧化碳电池的构想迸发于课题组成员苏利伟博士(2013年毕业)的一次实验，他发现，碳酸盐做锂离子电池负极储锂容量异常高，且在反应过程中产生二氧化碳气泡。此后博士生张彰开始建立锂氧气电池的研究平台，经团队成员反复实验，不断改进电极性能，首次将石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极，表现出了优异的性能，可连续充放电20次以上，这是当时的最高水平。锂二氧化碳电池性能的改善得益于石墨烯的高导电性和大比表面积，为电化学反应提供了良好的场所。

　　可充电锂二氧化碳电池的研究刚刚起步，基本原理尚未完全清楚，而且动力学性能和充放电循环能力很差，还需要继续深入研究。该研究成果发表后得到国内外同行高度评价和引用，同时也被《科技日报》等国内多家媒体重点报道，并入选南开大学2015年度十大科技进展和新材料在线网站评出的2015年度二次电池领域20大重磅事件。

　　室温钠离子电池

　　与其他储能设备相比，室温钠离子电池因钠资源丰富、成本低、能量转换效率高和循环寿命长等诸多优点而成为储能领域的研究热点。而开发成本低廉、电化学性能优异的电极材料是实现室温钠离子电池实际应用的关键因素之一。在诸多引起关注的钠离子电池负极材料中，碳材料具有最好的应用前景。实验表明，商业化的锂离子电池负极材料石墨因层间距较小，阻碍了钠离子的嵌入和存储，因而表现出较低的电化学容量，限制了其在钠离子电池中的应用。

　　为解决这一问题，周震团队利用一种简单、可控的方法实现了硫原子富氮碳片中特定氮原子的取代，得到氮硫共掺的新型碳材料。在这一材料中，硫在增大碳层间距离和比表面积的同时，也增加了储钠位点，共同实现了提高碳材料储钠容量的目的，从而可以提高电池容量。该材料当用于钠离子电池测试时表现出高容量和高容量保持率，综合性能远高于当前研究较多的硬碳材料。该材料可以实现硫的可控添加，并且可形成稳定结构，有效避免了在充放电过程中向钠硫电池转化而导致循环稳定性降低的弊端。该成果为钠离子电池的实用化提供了一种可行的负极材料。

　　周震介绍，钠离子电池研究近年来成为大规模储能技术研究的热点，与锂氧气电池相比，这一技术可很方便地移植到现有锂离子电池生产线，但真正实用化还需要研发新材料且仍需时日。

　　本报记者魏孝明通讯员马超摄影报道

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