金属-CO2电池:消耗CO2的绿色储能体系

全球每年因化石类燃料(煤、天然气和石油产品)的燃烧产生成千上万吨的CO2,大气中CO2的含量近年来一直呈现出逐年增长的趋势,2016年已经超过了400 ppm,所引发的温室效应导致了严重的气候变化。减少CO2的排放量,降低人为气候的影响,已经成为当今社会普遍关注的问题。然而,能源是经济社会发展的重要基础,全球范围内的节能减排收效甚微。CO2的资源化转化利用是一条理想的出路,同时成为国际上研究的热点和难点。

近年来发展的金属-CO2电池能够将CO2应用于能源存储领域,对缓解当今社会能源短缺和全球变暖具有重要意义。目前研究所用金属负极主要为锂、钠和铝,电池结构与金属空气电池基本一致。

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近期,南开大学材料科学与工程学院周震教授研究团队对金属-CO2电池的发展现状进行了总结评述,详细介绍了电池的种类和电化学性能,其中包括金属-O2/CO2混合电池、高温金属-CO2一次电池以及室温金属-CO2一次和二次电池。其中,金属-O2/CO2一次电池对降低工业烟气、汽车尾气中CO2的排放具有重要研究价值,特别是对于钠、铝等储量丰富的金属负极。金属-O2/CO2二次电池有助于研究CO2对金属氧气电池影响,能够推进金属空气电池的实用化进程。室温金属-CO2二次电池标志着CO2的资源化利用,在保证能源输出的同时,降低CO2的排放。文章还对金属-CO2电池发展中存在的问题和挑战进行了系统总结,认为金属-CO2电池的研究发展应优先考虑如下几个方面:深入研究充放电反应机理、开发稳定电解液、研发高效正极催化剂、开发新型电池体系等。

金属-CO2电池在工业化应用方面具有一定优势,相比于压缩氧气,CO2的压缩更为安全,还可以采用更为经济的固态干冰,而且CO2能够作为超临界流体进行使用,同时作为活性物质和电解质溶剂,采取液流电池的方式进行工作,是一种潜在的环境友好、高能量密度、高功率密度的车载储能体系。此外,金属-CO2电池还能够作为未来火星探测乃至移民的潜在储能体系,因为火星表面大气中二氧化碳的含量高达95%左右。文章近期发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201605891)上。 

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