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中国团队研发出Li-N2充电电池 利用可逆反应提升固化能效

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发布:liuxianglong 作者: 李文龙 来源: 盖世汽车
PostTime:17-4-2017 21:22
李文龙 据外媒报道,由于氮气在大气层的含量极为丰富,其一度被视为可再生能源(renewable energy)的重要来源之一。

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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据外媒报道,由于氮气在大气层的含量极为丰富,其一度被视为可再生能源(renewable energy)的重要来源之一。然而,由于其原子结构的关系,氮气原子结构在常规条件下难以被打破,这对想要将氮原子键(atoms bond)转化为电能的科学家们而言,无疑是一大挑战。

如今,中国的研究人员已研发出一款锂-氮(Li-N–)充电电池,其原理在于可逆反应6Li + N– ⇋ 2Li–N的运用。该电池系统由锂电池阳极(Li anode)、基于醚类电解质(ether-based electrolyte)、碳布阴极(carbon cloth cathode)组成,该电池的法拉第效率为59%。

该“概念验证(proof-of-concept)”设计被刊登在《化学》(Chem)杂志上,通过逆向的化学反应为当前的锂-氮电池提供电能。与将氮锂化合物(2Li3N)分解为锂和氮气,借此获得化学反应时所产生的能量不同,该研究机构的Li-N2电池可在环境温度条件下,在大气氮(atmospheric nitrogen)中运行,与锂产生发生反应后将生成氮锂化合物。相较于其他锂金属电池,其能量输出时间较短。

在室温条件下,该款Li-N2电池的结构及再充电性(rechargeability)如下:图(A)Li-N2电池结构图,含有金属锂箔阳极(Li-foil anode)、基于醚类的电解质及共阴极(CC cathode)。图(B):电流密度为0.05 mA/cm2时,带共阴极的Li-N2电池的氮气固化曲线(N2 fixation curves)(蓝色)及氮气演化曲线(N2 evolution curves)(红色)。图(C):扫描频率为0.05 mV/s时,在氮气饱和大气(黑色)及氩气饱和大气下(红色),Li-N2电池的控制点曲线(CV curves)。图(D):电流密度为0.05 mA/cm2时,Li-N2电池的循环性能。

,中国Li-N2充电电池,中国Li-N2电池可逆反应

该研究团队已论证,这款Li-N2电池能够在室温和大气温度下进行充电,其涉及一下可逆的电池反应(reversible battery reactions):

(化学方程式1)阳极:6Li ⇋ 6Li+ + 6e−

(化学方程式2)阴极:6Li+ + N2 + 6e− ⇋ 2Li3N

(化学方程式3)整体:6Li+ + N2 ⇋ 2Li3N

该研究团队调查了钌共阴极(Ru-CC)及二氧化锆共阴极(ZrO2-CC)这两类复合阴极的使用,进而提升氮气固化能效。带阴极催化剂(catalyst cathodes)的Li-N2电池的固化能效要比原始共阴极(pristine CC cathodes)的固化能效高。

该项研究由中华人民共和国科学技术部(Ministry of Science and Technology of China)及国家自然科学基金委员会(National Natural Science Foundation of China)提供资金支持。

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