“一舉兩用”的電池

近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所設(shè)計(jì)出一種新型的水系鋰鈉混合離子電池，給鈉離子電池家族增添了一支新軍。該研究成果在線發(fā)表于英國(guó)《科學(xué)報(bào)告》。

與傳統(tǒng)鋰離子電池“搖椅式”的工作原理不同，該類電池在充放電過(guò)程中，鋰離子和鈉離子分別僅在電池的一極與電解液之間移動(dòng)。得益于這種獨(dú)特的工作原理，該類電池不但能儲(chǔ)存電能，而且還具有分離金屬離子的功能。

化學(xué)電池是指通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，把正極、負(fù)極活性物質(zhì)的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為電能的一類裝置。在現(xiàn)代社會(huì)中，化學(xué)電池和我們的日常生活息息相關(guān)，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在為我們的生活服務(wù)。

化學(xué)電池品種繁多，大到需一座建筑才能容下，小到以毫米計(jì)算。按電池是否可反復(fù)循環(huán)使用，化學(xué)電池可分為一次電池和二次電池。

一次電池俗稱“用完即棄”電池，即電池電量耗盡時(shí)，無(wú)法再充電使用，只能丟棄。生活中常用的5號(hào)鋅錳干電池就是一次電池。二次電池又稱可充電電池，即電池放電后可通過(guò)充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。目前市場(chǎng)上主要的二次電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

以有機(jī)溶劑為電解液的鋰離子電池由于工作電壓高、能量大和循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦和相機(jī)等便攜型電子產(chǎn)品中。

鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極;放電時(shí)則相反。形象地說(shuō)，鋰離子電池就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子則在搖椅兩端來(lái)回“奔跑”。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、環(huán)境污染的日益加劇、不可再生的能源資源不斷消耗，人類社會(huì)迫切需要提高能源的利用效率，開拓新能源和可再生能源，而這些均離不開電化學(xué)儲(chǔ)能電池。

傳統(tǒng)的以有機(jī)溶劑為電解液的鋰離子電池雖然具有能量密度高的優(yōu)勢(shì)，但存在安全性較低和成本較高的問(wèn)題。與之相比，水系離子電池具有價(jià)格低廉、無(wú)環(huán)境污染且安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)級(jí)別的大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有潛在的重要前景。

由于鈉資源相對(duì)豐富，鈉離子水系電池被認(rèn)為是下一代水系二次電池的理想選擇。目前，美國(guó)的Aquion Energy和Alveo Energy兩家公司正在積極開發(fā)基于鈉離子水系電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)，而中國(guó)在這方面研究不足。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研制的新型水系鋰鈉混合離子電池，可謂鈉離子電池家族中增添的一支新軍。

該類電池的一極采用選擇性嵌入/脫嵌鋰離子的化合物為活性材料，而另一極則選用選擇性嵌入/脫嵌鈉離子的化合物作為活性材料，同時(shí)以鋰鈉混合離子水溶液作為電解質(zhì)。

與傳統(tǒng)鋰離子電池“搖椅式”的工作原理不同，該類電池在充放電過(guò)程中，鋰離子和鈉離子分別僅在電池的一極與電解液之間移動(dòng)。得益于這種獨(dú)特的工作原理，該類電池不但能儲(chǔ)存電能，而且還具有分離金屬離子的功能，可謂“一舉兩用”。

鋰鈉混合離子電池的美妙之處在于其雙功能性。鋰和鈉在元素周期表中屬同族元素，它倆化學(xué)性質(zhì)相似，難以分離。

現(xiàn)有的分離技術(shù)多采用化學(xué)方法，需要大量的Na2CO3、AlCl3或錳氧化物等化學(xué)試劑，耗時(shí)、成本高和環(huán)境不友好。

采用鋰鈉混合離子電池技術(shù)即可在儲(chǔ)存和釋放電能的同時(shí)又分離鋰、鈉離子。這種分離技術(shù)與現(xiàn)有其他化學(xué)方法相比，更為高效和綠色，因而其在大規(guī)模分離?；螓u水中的鋰、鈉元素方面具有重要應(yīng)用前景。

電化學(xué)儲(chǔ)能有望成為21世紀(jì)具有持續(xù)、爆炸式發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)?；阝c離子電池的儲(chǔ)能技術(shù)很可能是未來(lái)最重要的儲(chǔ)能技術(shù)之一。

鋰離子電池的發(fā)展導(dǎo)致全世界對(duì)鋰資源的需求日益增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2012年，世界上83%的鋰是從?；螓u水中提取的，因此發(fā)展新型有效的分離技術(shù)迫在眉睫。

現(xiàn)在，“一舉兩用”電池的出現(xiàn)，既為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供了新思路，又為鋰鈉分離技術(shù)的發(fā)展提供了新契機(jī)。