《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第106期，對話中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授陳維。

嘉賓簡介：

陳維，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心教授。專注于大規(guī)模儲能電池、電催化等研究。

劃重點：

1. 氫氣電池最大的特點就是能量效率高，而且循環(huán)穩(wěn)定性也很好，成本低廉、壽命較長，使用起來也非常安全。

2. 陳維團(tuán)隊利用氫氣的優(yōu)異氧化還原特性，把正極氫氣與低電位負(fù)極進(jìn)行配對，由于鋰金屬自身能量密度高，與氫氣搭配后就變成了鋰氫氣電池，電位也有所上升，可以超過3 V。

3. 無負(fù)極可充電鋰金屬-氫氣電池最開始負(fù)極上只有一個金屬銅的集流體，并沒有鋰，在充電時，可以從低成本的鋰鹽中沉積鋰金屬生成負(fù)極，組裝起來更安全。

4. 陳維團(tuán)隊還利用尾氣中二氧化氮的電化學(xué)還原電位與廢舊電池正極材料的電化學(xué)氧化電位差，成功回收了廢舊電池正極材料中的鋰資源，高效、環(huán)保且具有經(jīng)濟(jì)價值。

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作者｜周錦童

編輯｜楊錦

氫氣是最具前景、經(jīng)濟(jì)高效的可再生資源之一。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳維教授課題組提出了氫氣電極作為正極的電池化學(xué)新體系，首次開發(fā)出一種可充電鋰金屬-氫氣電池，為未來可再生能源的高效利用和儲存提供了新的可能性。此外，他們還實現(xiàn)了廢舊鋰電池的綠色回收。

對此，對話了陳維教授。

成本更低、更安全的可充電鋰金屬-氫氣電池

“氫氣電池是新型的電池體系，但我們研究的并不是使用氫氣的燃料電池，而是一種能夠進(jìn)行充放電的二次電池，這種電池不需要加氫，在充電時會自己產(chǎn)生氫氣，放電時又會把氫氣消耗掉。”

陳維介紹，這類電池最大的特點就是能量效率高，而且由于氫氣的氧化還原反應(yīng)非常穩(wěn)定，循環(huán)穩(wěn)定性也很好，可以與多種電極相匹配。“當(dāng)然成本也比較低，氫氣是從水中產(chǎn)生，只需要消耗電。由于電池里面是純氫氣，使用起來也非常安全。”

前期陳維團(tuán)隊將氫氣電極用作負(fù)極，創(chuàng)制了不同類型的氫氣電池體系，包括鎳-氫氣電池、鹵素-氫氣電池、質(zhì)子-氫氣電池和碳-氫氣電池等，但這些電池只能在1.5 V有限工作電壓下運行，能量密度相對較低。

因此，他們利用氫氣的優(yōu)異氧化還原特性，把氫氣從負(fù)極變成了正極，與低電位負(fù)極進(jìn)行配對，而鋰金屬自身能量密度非常高，和氫氣搭配后就變成了鋰氫氣電池，電位也有所上升，可以超過3 V。

“因為能量密度是由正負(fù)極的容量以及電位差決定的，所以這種電池電位更高，正負(fù)極容量更高，它的能量密度就更高，比現(xiàn)有的鋰離子電池要高好幾倍。”陳維解釋道。

至于使用壽命的話，陳維稱目前還沒有做到現(xiàn)在鋰離子電池那么長，作為一個新型的體系，還有一些關(guān)鍵問題需要解決。

“現(xiàn)在各個類型的鋰離子電池都非常成熟了，包括三元的、磷酸鐵鋰的，它們的容量都非常高，壽命也很長，后續(xù)我們也會逐步在這方面進(jìn)行提升。”

陳維表示，未來會對材料進(jìn)行改進(jìn)，促進(jìn)電池技術(shù)更好的發(fā)展，同時也會逐步和產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行合作，慢慢推動氫氣電池從實驗室走向應(yīng)用市場。

或成為下一代主流儲能技術(shù)

值得一提的是，陳維團(tuán)隊還進(jìn)一步構(gòu)建了一種無負(fù)極可充電鋰金屬-氫氣電池。

正極為氫，負(fù)極為鋰，無負(fù)極的意思就是最開始負(fù)極上并沒有鋰，由于地殼中鋰的含量較低，而且前幾年鋰的價格飆升很快，且波動較大，直接用鋰成本較高，所以行業(yè)中就出現(xiàn)了無負(fù)極的鋰金屬電池。

“這種電池最開始負(fù)極上只有一個金屬銅的集流體，充電時鋰會從正極過來，從電解液里面沉積出鋰到負(fù)極上，放電時鋰又溶解回電解液，然后再到正極。”

“因為鋰離子電池出問題主要是鋰金屬容易出問題，鋰是非常活躍的，跟水都會發(fā)生劇烈反應(yīng)。”

開始組裝電池時不含鋰，會使得電池更加安全，但是對無負(fù)極的鋰金屬電池挑戰(zhàn)也非常大。

“這相當(dāng)于一開始要在負(fù)極上面‘長’一層鋰，所以怎樣控制負(fù)極的集流體讓鋰能很好地在上面生長是關(guān)鍵的問題，出于這些考慮，我們進(jìn)一步拓展了鋰金屬氫氣電池，進(jìn)行了從有負(fù)極到無負(fù)極的探究。”

陳維十分看好氫氣電池的發(fā)展前景，他認(rèn)為其很有可能成為下一代的主流儲能技術(shù)之一。

“因為它有一個殺手锏，那就是超長循環(huán)，基本上現(xiàn)在所有的電池都很難與之抗衡，像鎳氫氣電池已經(jīng)被NASA在太空中使用超過30年了，循環(huán)次數(shù)超過十萬圈。”

“如果我們可以制備出一款價格低廉、循環(huán)壽命長、安全性高的氫氣電池，那將會給整個儲能領(lǐng)域帶來新的希望。”陳維肯定道。

除了聚焦于大規(guī)模儲能電池領(lǐng)域，陳維團(tuán)隊也進(jìn)行電催化方面的研究，開發(fā)了一種廢舊鋰電池回收-能量輸出耦合技術(shù)。比如，把汽車尾氣、工廠廢氣、二氧化碳等氣體通過電催化的形式處理掉。

氮氧化物，比如一氧化氮、二氧化氮都是有毒的氣體，陳維團(tuán)隊把催化和電池二者巧妙地聯(lián)系了起來，利用尾氣中二氧化氮的電化學(xué)還原電位與廢舊電池正極材料的電化學(xué)氧化電位差，成功回收了廢舊電池正極材料中的鋰資源，還將二氧化氮轉(zhuǎn)化為高價值的硝酸鋰鹽。

目前，鋰離子電池是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用主流，使用廣泛，但一顆鋰電池一般在使用五年、十年后就會報廢，怎樣回收讓它不污染環(huán)境是很大的問題。

相比之前慣用的廢舊鋰電池回收方式，比如添加各種酸堿等物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，甚至是焚燒，會釋放大量的有毒氣體，陳維團(tuán)隊為鋰回收與污染物治理提供了一種高效、環(huán)保且具有經(jīng)濟(jì)價值的解決方案。

“這個反應(yīng)不僅不需要輸入能量，反而在整個過程中，還有電能的輸出，是電池跟催化完美結(jié)合的例子之一。而且整個體系成本也比較低廉，只需要用到很少的電解液，還不消耗電。”陳維補充道。

談及成熟度時，陳維坦言：“這項技術(shù)是比較前沿的，更多的是對現(xiàn)有技術(shù)的補充，并不會完全顛覆現(xiàn)有技術(shù)，且還存在一定的局限性，比如產(chǎn)率不夠高、進(jìn)行大規(guī)模回收有困難、穩(wěn)定性還有待提升等。”

因此，陳維團(tuán)隊在未來也會針對這些問題不斷改進(jìn)，首先就是要考慮如何把它用起來，實現(xiàn)大規(guī)模廢舊鋰電池的回收。