陳亮：“一舉兩用”的電池

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所設計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。該研究成果在線發表于英國《科學報告》。

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

　　化學電池是指通過電化學反應，把正極、負極活性物質的化學能，轉化為電能的一類裝置。在現代社會中，化學電池和我們的日常生活息息相關，無時無刻不在為我們的生活服務。

　　化學電池品種繁多，大到需一座建筑才能容下，小到以毫米計算。按電池是否可反復循環使用，化學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，無法再充電使用，只能丟棄。生活中常用的5號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充電的方式使活性物質激活而繼續使用的電池。目前市場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、能量大和循環壽命長的優點而被廣泛應用于手機、電腦和相機等便攜型電子產品中。

　　鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。充電時，鋰離子從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極;放電時則相反。形象地說，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回“奔跑”。

　　隨著經濟的發展、環境污染的日益加劇、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儲能電池。

　　傳統的以有機溶劑為電解液的鋰離子電池雖然具有能量密度高的優勢，但存在安全性較低和成本較高的問題。與之相比，水系離子電池具有價格低廉、無環境污染且安全性高等優點，在電網級別的大規模儲能領域具有潛在的重要前景。

　　由于鈉資源相對豐富，鈉離子水系電池被認為是下一代水系二次電池的理想選擇。目前，美國的Aquion Energy和Alveo Energy兩家公司正在積極開發基于鈉離子水系電池的儲能系統，而中國在這方面研究不足。

　　中國科學院寧波材料技術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，同時以鋰鈉混合離子水溶液作為電解質。

　　與傳統鋰離子電池“搖椅式”的工作原理不同，該類電池在充放電過程中，鋰離子和鈉離子分別僅在電池的一極與電解液之間移動。得益于這種獨特的工作原理，該類電池不但能儲存電能，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，它倆化學性質相似，難以分離。

　　現有的分離技術多采用化學方法，需要大量的Na2CO3、AlCl3或錳氧化物等化學試劑，耗時、成本高和環境不友好。

　　采用鋰鈉混合離子電池技術即可在儲存和釋放電能的同時又分離鋰、鈉離子。這種分離技術與現有其他化學方法相比，更為高效和綠色，因而其在大規模分離海或鹵水中的鋰、鈉元素方面具有重要應用前景。

　　電化學儲能有望成為21世紀具有持續、爆炸式發展潛力的新興產業。基于鈉離子電池的儲能技術很可能是未來最重要的儲能技術之一。

　　鋰離子電池的發展導致全世界對鋰資源的需求日益增加。據統計，至2012年，世界上83%的鋰是從海或鹵水中提取的，因此發展新型有效的分離技術迫在眉睫。

　　現在，“一舉兩用”電池的出現，既為電化學儲能技術的發展提供了新思路，又為鋰鈉分離技術的發展提供了新契機。