Advanced Functional Materials:SO2的能源化利用-可充电Na-SO2电池

化石能源枯竭与环境污染是现代社会发展面临的严重挑战。而面向大规模储能与新能源电动汽车储能需求,发展新型储能技术,实现节能减排与能源利用效率的提升是当前研究热点与难点。金属-气体电池由于以活泼金属为负极,以气体为正极活性组分,具有较高的理论能量密度与低成本的优势,在近十年来得到广泛关注。利用气体灵活多变的化学反应特性进行电池设计,是这一新型电池体系的重要魅力。除了最常见的氧气为工作气体以外,近年来以CO2, N2,NOx以及SO2等为工作气体的新型电池不断被发明出来。新型气体电池的发展,不仅丰富了储能电池领域,也加速了相应气体的循环利用,同时为温室气体/污染气体的能源化利用提供了新的思路。

天津理工大学刘喜正副教授所在团队聚焦于这一领域,在Na-SO2电池开发方面取得新的进展。在Na-SO2电池中,除了金属-气体电池普遍存在的正极催化效率偏低与气体/产物与活性位点接触不充分等问题以外,SO2气体具有较强酸性,在气体电池中容易通过电解液扩散到金属负极并对其造成严重腐蚀,严重损害电池寿命。针对以上具体问题,设计了具有三维多孔结构的Ru纳米颗粒负载的石墨烯基电极材料,结合乙二胺添加的醚基电解液与金属钠负极构筑Na-SO2电池。其中电极材料中三维多孔结构促进反应气体、电极与电解液的界面接触,提升SO2在电极表面的吸附性能与快速转化能力;电解液中乙二胺添加剂能够与电解液中酸性SO2气体一定程度上络合,从而促进其他电解液中的溶解并提升电极表面浓度,此外乙二胺能够显著降低电解液中SO2对碱金属负极的腐蚀。所开发的电池能够稳定循环1600小时以上。电池充放电机理研究表明,放电过程中SO2在电极表面还原生成Na2S2O4,而充电过程发生分解反应并重新生成SO2气体,从而实现了其可逆的固定与释放。该研究工作所开发的Na-SO2电池,为SO2气体固定与新型电池开发提供了新的思路。 相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202002120),相关工作得到国家重点研发计划,国家杰出青年基金,国家自然基金-河南省联合基金重点项目,天津市自然基金面上项目以及天津市新材料重大专项支持。