陈军院士制备出无钠预填装可呼吸钠运动护具

2018-09-17 09:47:20来源： 贤集网

获悉，南开大学化学学院陈军院士课题组利用廉价碳酸钠和碳纳米管制备出无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池。相关成果成为《研究》创刊号首篇发表文章。

据介绍，“可呼吸”电池初级版本是锂-氧电池，放电时从空气中获取氧气，充电时再放出氧气，因此被称为“可呼吸”电池。由此衍生出的可充钠-二氧化碳电池一般以金属钠为负极，碳等材料为正极，放电时从外界获取二氧化碳，充电时再放出二氧化碳。与锂-氧电池比，这类电池原料丰富、制备方便，还资源化利用二氧化碳气体，实现绿色可持续发展。

目前钠-二氧化碳电池开发存在一大难点：过量的金属钠负极容易形成枝晶，导致电池短路带来安全隐患，且金属钠制备主要是通过电解熔融氯化钠或氢氧化钠，能耗污染大。陈军课题组克服了碳酸钠导电性差等难点，以溶解析出法在多壁碳纳米管表面上制备出碳酸钠廉价复合材料，并以此作正极，导电碳作负极，首次构建出无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池。该电池通过对充电容量控制可成功抑制枝晶形成，安全性大大增强，经测试在截容量为0.3mAh/cm2的条件下，循环100圈后仍能保证充电电压低于4V，课题组已组装出容量为350mAh、能量密度为183Wh/kg（基于整个电池质量）的单体电池。

碳酸钠在工业上制备容易，碳在自然界中广泛存在，陈军课题组研究成果避免了负极金属钠的预填装，能有效降低电池的安全隐患，为安全电池设计提供了一种新思路。此外，火星大气中含有95%的二氧化碳，这一无钠预填装“可呼吸”钠-二氧化碳电池有望为火星探测提供一种潜在电化学能源系统。

陈军：29年跟电池较劲

陈军在实验室工作。资料图片

南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室位于南开大学和天津大学之间的一栋俗称联合楼的建筑中。这栋绿色建筑里的学者，几乎都是搞新能源研究的。但南开大学化学学院院长、中科院院士陈军的实验室显得与众不同：走廊的墙上错落悬挂着水墨和山水国画，四季常青的绿植和小饰物遍布角落。

近日，陈军院士团队在“可持续醌电极的高容量水系锌二次电池”研究方面获得突破，首次系统研究了醌类电极材料在水系锌电池中的应用，这类电池材料具有廉价、容易制备、循环稳定性高、能量密度高、安全可靠等优点，为电动汽车、规模储能等重大应用提供了新选择。

结缘电池，源自年幼时对手电筒的好奇

“电池是储存化学能，并把它转化成电能的体系；电池研究有两个重点，转化效率和储存密度……”说起电池来，陈军如数家珍：“我们的研究，就是通过纳米化学和能源材料的交叉学科研究，探索使用新材料，从转化效率和储存密度这两方面优化电池效能，实现更高效的能量转化，获得更清洁的电能。”

2017年，从中国科学院院长、学部主席团执行主席白春礼手中接过证书，1967年出生的陈军成为中科院化学部新晋院士中最年轻的一位，此时距离他从事电池研究已经有28年。

从年幼时对手电筒发生浓厚兴趣，到1985年考取南开大学化学系，陈军的人生都似乎与电池有缘。“那时电池研究还是冷门，我们这一届学生中几乎没有人选择这个领域。”他的本科毕业论文选择了无机电极材料，研究生时选择了电池作为研究方向。而今，新能源电池是国际学术界研究的热点和重点，市场前景巨大。陈军记得，2003年中国化学会电化学委员会在上海召开年会时，只有200多人，可到2017年，已有3000多人参会。

如果说当年研究电池的陈军琢磨的是如何突破国外技术垄断的话，现在考虑更多的是怎么并跑和领跑了。

“提升电池安全性、降低成本、实现可持续发展，是必然趋势。”陈军团队的“可持续醌电极的高容量水系锌二次电池”研发朝这个方向迈出了关键一步。醌类化合物在自然界中无处不在，以醌类化合物做成的电极，质轻、环保、安全性高，但存在活性物质损失和电池寿命短等难题。陈军团队通过设计，将醌类化合物应用于可充水系锌电池。通过对比研究系列醌类化合物，他们发现，具有4个对苯醌结构单元和8个羰基的杯醌类正极材料，能够获得335毫安时每克的比容量，充放电平台电压差低至70毫伏，能量效率高达93%，容量远超目前大部分正极材料，并且循环1000次之后，容量保持率仍有87%。“这一技术推向市场后，有望实现成本的大幅降低，而且可显著缓解电池造成的环保压力。”陈军说。

做科研，就要选择真正有意义、有难度的课题

2002年，陈军回国受聘为南开大学特聘教授。30平方米的实验室里空空荡荡，陈军几乎从零经费起步开展研究。

当年，从其他专业调剂过来的一名硕士生和一名博士生，成了他的首批弟子。陈军给他们讲解基本电化学知识，并将研究目光投入到二次电池能量密度最高的“金属空气电池”。这类电池的研究挑战今天依然最大。

在研究“金属空气电池”的过程中，陈军反复设计实验方案，反复改进实验操作，可无论如何努力都做不出预想结果。正在他怀疑自己是不是搞错了的时候，2006年英国一个实验团队抢了先：该团队在“锂空气电池”研究方面率先取得突破并在国际顶尖杂志《美国化学会志》上发表了论文。“论文完全印证了我们的实验思路。”后来，陈军发现问题竟然出在实验设备漏气，导致实验原材料遇到氧与水，发生副反应造成电池失效。

虽然错失了在“锂空气电池”研究领域拔得头筹的机会，但陈军并未气馁。电池研究本身就是多学科交叉，研究人员要有广泛的知识储备，才能找到新能源电池领域的突破点。“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金”，陈军常用刘禹锡的一句诗鼓励学生。他始终关注项目的创新性和可行性，他认为一个有责任心的科学家应该选择那些真正有意义，而且有难度的课题来做。

陈军的付出终于有了回报。他带领团队，室温条件下研制出成本低廉、性能优良的“锌空气电池”；他研发了高容量、高稳定性的金属氧化物电极材料，康奈尔大学材料化学家阿彻（Archer）评价其材料“已成为下一代锂离子电池高能电极材料的研究范例”；他构建出“新型钠/镁—硫化物”电池，该领域专家认为“在低成本和稳定的钠离子电池应用中展现出光明的前景”；他创建的“可充室温钠—二氧化碳电池”被《自然》“研究亮点”栏目报道……截至目前，陈军已发表SCI收录论文300余篇，他引2万多次，H指数90，入选科睿唯安（Clarivate Analytics）全球高被引科学家和爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者；获授权发明专利16项……

院士头衔，意味的是担负更大的责任

2004年陈军为本科生讲授能源化学课时，使用的是他自己主编的《能源化学》，这是这一领域第一本教材。教材里提出纳米科技将在能源化学里起到重要作用的观点，现在已经被证实。

成为院士以后，陈军仍然在教这堂课。“如果说院士跟其他人比有什么区别的话，那就是责任更大。”

“大家来说一说手机的电池爆炸是什么原因？”“电动汽车起火燃烧又是为什么？”陈军的问题总是紧扣学术与应用前沿，他喜欢在课堂上介绍最新的成果突破，激发学生的创新意识。实验室吸纳了从大一到大四的多组本科生，开展“我爱实验室”科研训练和创新课题探索也广受欢迎。

“如果我们没有了清洁的水和空气，即使研究出再先进的电池也没有意义。”陈军常这样对学生说。用过的电池，陈军都不会随手丢弃，他会带到实验室里，以化学方法分解成新的原料以回收再利用。

日前，教育部公布了首批“新工科”研究与实践项目认定结果，陈军主持的“新能源科学与工程专业”入选能源、电气、核工程类项目群，将为“新能源科学与工程专业创新创业人才培养体系”建设提供新理念、新标准、新模式、新方法、新技术。

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