空气也可以做电池了？南开大学李福军：构建一种新型钠钾氧混合型空气电池

2019年1月16日，南开大学李福军研究员课题组以金属钠作为负极，含钾离子的有机电解液和多孔碳纸作为正极，首次构建了一种混合型空气电池，表现出低的充放电过电压，高的库伦效率和优异的循环性能，为金属空气电池的发展提供了新的思路。这项研究以“A Hybrid Na//K⁺-Containing Electrolyte//O₂ Battery with High Rechargeability and Cycle Stability”为题，发表在《Research》（Research. 2019, DOI: 10.1155/2019/6180615）上。

研究背景

随着可便携电子设备和电动汽车的快速发展，开发具有更高能量密度的电池体系变得至关重要。空气电池，顾名思义，也是化学电池的一种，它的构造原理与普通干电池相似，但它是利用空气中的氧气作为活性物质，代替一般干电池中的氧化剂（二氧化锰）。从理论上讲，这就使得空气电池的正极容量密度可以达到无限，理论容量比普通的充电电池提高10倍。

电动汽车

图片来源：科技导报

空气电池有着比能量大、质量轻、低毒性和低危险性等优点，受到的工业界的青睐。目前已经发展出了镁空气电池、锂空气电池等一系列体系。在各种电池体系中，钠-氧气（Na-O₂）和钾-氧气（K-O₂）电池因其高的理论能量密度（Na-O₂，1108 Wh/kg；K-O₂，935 Wh/kg），高的能量效率（＞90%）和在自然界中资源丰富等优点受到了研究人员的广泛关注。然而，由于正极放电产物超氧化钠（NaO₂）和金属钾（K）的高活泼性，以及负极枝晶等问题，会导致现有的空气电池产生库伦效率低和循环稳定性差等现象。

研究进展

近日，南开大学李福军研究员课题组以金属钠为负极，以含钾离子的有机电解液和多孔碳纸为正极，构建了一种混合型空气电池（NKO）。在放电过程中，正极的O2被还原，优先与电解液中的K⁺反应生成KO₂，Na从负极溶出；在充电过程中，正极上的KO₂可逆分解为K⁺和O₂，Na⁺沉积回到负极上。这种新的反应路径，不同于传统的Na-O₂和K-O₂电池，有效地规避了NaO₂和金属K与电解液之间的反应。

NKO混合型空气电池充放电过程中的反应路径

得益于正极放电产物KO₂高的稳定性和导电性，以及负极Na稳定的溶出/沉积，NKO电池与传统的Na-O₂和K-O₂电池相比，表现出低的充放电过电压，高的库伦效率和出色的循环稳定性。这种新的设计理念为金属空气电池的发展提供了新的方向。

NKO混合型空气电池充放电过程中的反应路径

未来展望

这项工作利用金属钠负极和包含钾离子的有机电解液，有效地规避了正极NaO₂和金属K与电解液之间的反应，同时抑制了负极枝晶的产生，在改善空气电池循环性能的同时，提高了电池的安全性，为高性能空气电池的构建提供了新的策略。此外，KO₂高的稳定性和导电性，也为解决空气电池高的充放电极化和循环性能差等问题，提供了新的思路。

课题组介绍

李福军研究员的团队成立于2015年9月。隶属于南开大学先进能源材料化学重点实验室（教育部）、南开大学化学与工程协同创新中心（天津）。主要研究范围包括先进能源材料、材料化学、电化学储能等。研究团队由化学、材料科学和物理学等不同背景的科研人员组成，希望通过研究成果，为可持续发展的社会的建设做出贡献。

李福军课题组

《Research》作为《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊，通过《Science》的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源，正在快速提高期刊的国际知名度和影响力，刊登内容主要集中在：人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。

网址：https://spj.sciencemag.org/research/

Reseach科学研究

关注交叉学科热点领域突破

点击好看，分享给科学界