圖1 鈉—二氧化碳（Na-CO2）電池結構及反應
人民網天津7月15日電 （記者 朱虹）近日，南開大學化學學院陳軍教授團隊在利用CO2呼吸的室溫可充鈉-二氧化碳電池領域取得突破性進展，相關研究成果以「可充室溫鈉-二氧化碳電池」（Rechargeable Room-Temperature Na-CO2 Batteries）為題，在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 6482-6486）上發表，陳軍為通訊作者。
「可呼吸」電池的初級版本是鋰-氧氣電池，它以金屬鋰作負極，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」電池。鋰-氧氣電池的研究是當今新能源領域的熱點和難點，國內外許多高校和研究機構都致力於此。陳軍課題組在之前鋰-氧氣電池研究的基礎上，此次成功研發出鈉-二氧化碳電池，不僅原料豐富、製備方便，增加了實驗過程中的安全性，同時，二氧化碳作為溫室氣體，把二氧化碳變廢為寶、資源化利用，恰恰符合我國「十三五規劃」提出的「創新、協調、綠色、開放、共享」五大發展理念。
雖然科學家們對金屬—二氧化碳電池進行了艱難的探索，但是始終未能有極大的突破，基本不能充電或者因循環少許周期後容量迅速衰退使得電池失效不能工作。主要原因是金屬—氣體電池不僅存在氣-液-固三相電池結構和系統設計上的困難，同時還在正極催化劑的設計和選擇，如何降低電極極化，金屬負極的保護，電解液組分和添加劑的優化選擇等方面存在諸多科學技術難題。因此，室溫可充金屬鈉—二氧化碳電池的研發具有重要意義。
金屬—二氧化碳（金屬 = Li，Na，Mg，Al，Zn等）電池具有高比能量、高功率密度，除Li外，電極活性物質廉價易得，特別是利用CO2作為活性材料產生電能，意味著該電池系統有望在CO2富集的地方，如動物及人類聚集地、汽車尾氣、燃煤發電尾氣及火星探測等廣大領域，提供穩定的能量源泉。
針對廣闊的海水和豐富的鹽湖的廉價鈉資源，同時尋求探索CO2的新應用，陳軍課題組在鈉—二氧化碳（Na-CO2）電池的研究中，通過理論計算發現Na-CO2電池體系具有高達1100 Wh/kg的理論比能量，且Na-CO2電池比Li -CO2等其他金屬——二氧化碳電池更容易實現可逆充放電反應，放電時吸收二氧化碳，充電時放出二氧化碳，被稱為可呼吸鈉-二氧化碳電池。該研究以鈉金屬片為負極，四甘醇二甲醚（TEGDME）處理過的多壁碳納米管（MWCNT）為正極，構架了一個具有優異性能的Na-CO2電池（圖1）。
電解液方面，優選後的高氯酸鈉/四甘醇二甲醚具有高離子電導率、對Na金屬穩定、難揮發等特點。正極方面，使用化學修飾的多孔三維網絡結構，具有獨特的三維結構的氣體電極不僅具有極高的離子/電子傳導、高效選擇性的催化活性和充足的放電產物儲存空間，而且處理過的電極具有極好的電解液潤溼性，有效降低電池的極化作用，體現出大容量儲電能力。室溫下，該電池體系可以循環200次而無明顯衰減，表現出很好的可逆充放電活性和穩定性。在4A/g的大電流密度下仍有4000 mAh/g的可逆比容量，說明此電池具有良好的高倍率放電性能，可實現快速充放電。這些優異的電池性能為在室溫下吸收CO2產生清潔電能源提供了新思路。
該研究得到了國家自然科學基金和教育部的資助。文章發表後，英國皇家化學會ChemistryWorld以「首次可充的有前途電池技術」（Rechargeable first for promising battery tech）作為亮點報導。
論文連結：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201602504/epdf