近年來，南開大學材料學院新能源材料化學研究所周震教授帶領團隊在可充電鋰氧氣電池、鋰二氧化碳電池和室溫鈉離子電池等研究中取得多項重要突破，為這些新能源器件的實際應用奠定了基礎。
可充電鋰氧氣電池
鋰氧氣電池以金屬鋰作負極，正極為由碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構成的空氣電極，放電時從空氣中獲取氧氣，充電時再放出氧氣，因此被譽為「可呼吸」的電池。鋰氧氣電池具有理論上最高的儲存能量能力，如果用作電動汽車電源可以連續行駛800公裡，而相同體積的鋰離子電池僅能使電動汽車連續行駛100公裡。
周震帶領團隊成員於2014年設計出高活性的空氣電極為可充電鋰氧氣電池的實用化打開了通道。他們通過簡單易行的方法製備了一種具有不同形狀和尺寸孔道的碳氮複合材料，作為電池的空氣電極，表現出了非常高的電化學活性，尤其是電池的循環穩定性得到了明顯改善，可以連續充放電160次以上。空氣電極性能的改善得益於材料獨特的結構，不同尺寸的孔結構為電化學反應和氧氣傳輸提供了良好的場所和通道。這一研究成果引起國內外同行的關注和引用。周震團隊在鋰氧氣電池中使用了獨特的空氣電極材料，並引入高性能計算來指導實驗，加快了鋰氧氣電池相關材料的設計和研發進程。
周震介紹說，鋰氧氣電池是當今新能源領域的研究熱點和難點，國內外許多高校和研究機構都致力於該項技術的突破。眾所周知，全球氣溫變暖主要是由二氧化碳等溫室氣體大量排放造成的，如何減少二氧化碳的排放成為當今社會普遍關注的問題。如果能把二氧化碳變廢為寶資源化利用是一條理想的出路。與鋰氧氣電池相似，如果將氧氣換成二氧化碳，就構建出可充電鋰二氧化碳電池，可將其稱為「可呼吸電池2.0」。周震團隊首次將石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，以金屬鋰作負極，吸收二氧化碳釋放能量。儘管與一代「可呼吸電池」鋰氧氣電池相比還很初級，但為推動二氧化碳的資源化利用以及從鋰氧氣電池實現鋰空氣電池邁出關鍵一步。
可充電鋰二氧化碳電池
可充電鋰二氧化碳電池的構想迸發於課題組成員蘇利偉博士(2013年畢業)的一次實驗，他發現，碳酸鹽做鋰離子電池負極儲鋰容量異常高，且在反應過程中產生二氧化碳氣泡。此後博士生張彰開始建立鋰氧氣電池的研究平臺，經團隊成員反覆實驗，不斷改進電極性能，首次將石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，表現出了優異的性能，可連續充放電20次以上，這是當時的最高水平。鋰二氧化碳電池性能的改善得益於石墨烯的高導電性和大比表面積，為電化學反應提供了良好的場所。
可充電鋰二氧化碳電池的研究剛剛起步，基本原理尚未完全清楚，而且動力學性能和充放電循環能力很差，還需要繼續深入研究。該研究成果發表後得到國內外同行高度評價和引用，同時也被《科技日報》等國內多家媒體重點報導，併入選南開大學2015年度十大科技進展和新材料在線網站評出的2015年度二次電池領域20大重磅事件。
室溫鈉離子電池
與其他儲能設備相比，室溫鈉離子電池因鈉資源豐富、成本低、能量轉換效率高和循環壽命長等諸多優點而成為儲能領域的研究熱點。而開發成本低廉、電化學性能優異的電極材料是實現室溫鈉離子電池實際應用的關鍵因素之一。在諸多引起關注的鈉離子電池負極材料中，碳材料具有最好的應用前景。實驗表明，商業化的鋰離子電池負極材料石墨因層間距較小，阻礙了鈉離子的嵌入和存儲，因而表現出較低的電化學容量，限制了其在鈉離子電池中的應用。
為解決這一問題，周震團隊利用一種簡單、可控的方法實現了硫原子富氮碳片中特定氮原子的取代，得到氮硫共摻的新型碳材料。在這一材料中，硫在增大碳層間距離和比表面積的同時，也增加了儲鈉位點，共同實現了提高碳材料儲鈉容量的目的，從而可以提高電池容量。該材料當用於鈉離子電池測試時表現出高容量和高容量保持率，綜合性能遠高於當前研究較多的硬碳材料。該材料可以實現硫的可控添加，並且可形成穩定結構，有效避免了在充放電過程中向鈉硫電池轉化而導致循環穩定性降低的弊端。該成果為鈉離子電池的實用化提供了一種可行的負極材料。
周震介紹，鈉離子電池研究近年來成為大規模儲能技術研究的熱點，與鋰氧氣電池相比，這一技術可很方便地移植到現有鋰離子電池生產線，但真正實用化還需要研發新材料且仍需時日。
本報記者 魏孝明 通訊員 馬超 攝影報導