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

 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。

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。