高性能电池设计、废旧锂电池回收！中国科大同一课题组连发两项研究成果

近日，中国科学技术大学（下称“中国科大”）化学与材料科学学院教授陈维课题组在电池研究领域连发两项成果。

其中一项为首次报道氢气电极作为正极的电池化学新体系，为基于氢气正极设计高性能电池提供了一种新途径。该项研究发表在国际期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed）上，题为“Rechargeable lithium-hydrogen gas batteries”。

研究团队表示，氢气（H2）作为最具前景且经济高效的可再生资源之一，凭借其合适的氧化还原电位、低过电位以及长期稳定性，可在与高活性电催化剂结合时，成为一种极具吸引力的电池电极材料。

实际上，自20世纪60年代以来，可充电的镍-氢气（Ni-H）电池化学因其高稳定性、可靠性和耐久性，已被NASA成功应用于航空航天领域超过30年。

近年来，陈维等人聚焦于氢气电池，创制了不同类型的氢气电池体系，包括先进的镍-氢气电池、卤素-氢气电池、质子-氢气电池以及碳-氢气电池等，并在大规模储能中展现出巨大潜力。

上述这些体系均将氢气电极用作负极。在这项最新的研究成果中，研究团队则提出，氢气的优异氧化还原特性不仅使其可作为负极，还可作为极具潜力的正极，与低电位负极配对。基于氢气正极的电池在与碱金属负极结合时，可展现出更高的能量密度和工作电压。其中，锂金属负极在高电压和高能量密度的氢气电池应用中具有巨大潜力。

Li-H电池结构和工作示意图。中国科大官网

最新成果首次报道了一种可充电锂金属-氢气（Li-H）电池，该电池利用了最轻的两种元素Li和H。研究显示，H2正极的优异特性使该电池展现出极具吸引力的电化学性能，包括高达2825 Wh kg-1的理论比能量、3 V的放电电压、99.7%的循环能量效率、5-20 mAh cm-2的可逆面容量、-20℃至80 ℃的宽工作温区及活性材料的高利用率。

此外，研究团队还进一步构建了一种无负极Li-H电池，在首次充电时从低成本的锂盐中沉积锂金属生成负极，进一步提升了电池的实际能量密度和经济适用性。

同样在近日，陈维课题组的另一项研究成果发表在国际期刊《自然-可持续发展》（Nature Sustainability）上，题为“Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation”。首次提出了一种基于电化学原理的绿色可持续废弃物回收管理策略，能够同时实现废旧锂离子电池正极材料中的锂资源回收和工业尾气中的氮氧化物污染物的捕获和转化。

研究团队巧妙设计了一种无能量消耗的回收方法，利用尾气中二氧化氮的电化学还原电位与废旧电池正极材料的电化学氧化电位差，不仅成功回收了废旧电池正极材料中的锂资源，还将二氧化氮转化为高价值的硝酸锂盐。

与此同时，这一过程还能实现大量的能量输出，为锂回收与污染物治理提供了一种高效、环保且具有经济价值的全新解决方案。

废旧锂离子电池正极和二氧化氮污染物同时回收设计思路。中国科大官网

具体而言，锂离子将自发地从废旧锂电池正极材料中脱出进入电解液中，而另一侧的二氧化氮则会被还原为亚硝酸根，两者结合形成的亚硝酸锂为直接的电化学反应产物，同时产生大约0.4 V的输出电压。电化学反应产物亚硝酸锂则会被空气中的氧气进一步氧化成为更加稳定的硝酸锂产物。

研究团队还分析了上述回收策略与传统回收策略在经济和环保等方面的优劣势。针对电池回收工艺中各个主要回收步骤的能耗、二氧化碳排放以及成本收益进行系统性的核算后显示，他们所提出的回收工艺在能耗和二氧化碳排放量上远远低于目前主流的回收策略，表明该策略在绿色可持续经济上具有绝对的领先优势。对成本收益计算结果分析，表明该策略也是优于其它四种传统回收策略。

陈维系中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。值得一提的是，其于2014-2018年期间在斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为美国国家科学院院士，世界著名的材料和能源科学家崔屹教授。

陈维于2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。官网显示，其主要研究方向为氢气二次电池的开发与应用、新型水系离子储能电池、电催化剂的微观调控与机理探索。