“一举两用”的电池
作者：陈亮
2013年07月10日 来源：中国科学报
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所设计出一种新型的水系锂钠混合离子电池，给钠离子电池家族增添了一支新军。该研究成果在线发表于英国《科学报告》。
与传统锂离子电池“摇椅式”的工作原理不同，该类电池在充放电过程中，锂离子和钠离子分别仅在电池的一极与电解液之间移动。得益于这种独特的工作原理，该类电池不但能储存电能，而且还具有分离金属离子的功能。
化学电池是指通过电化学反应，把正极、负极活性物质的化学能，转化为电能的一类装置。在现代社会中，化学电池和我们的日常生活息息相关，无时无刻不在为我们的生活服务。
化学电池品种繁多，大到需一座建筑才能容下，小到以毫米计算。按电池是否可反复循环使用，化学电池可分为一次电池和二次电池。
一次电池俗称“用完即弃”电池，即电池电量耗尽时，无法再充电使用，只能丢弃。生活中常用的5号锌锰干电池就是一次电池。二次电池又称可充电电池，即电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。目前市场上主要的二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。
以有机溶剂为电解液的锂离子电池由于工作电压高、能量大和循环寿命长的优点而被广泛应用于手机、电脑和相机等便携型电子产品中。
锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。形象地说，锂离子电池就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子则在摇椅两端来回“奔跑”。
随着经济的发展、环境污染的日益加剧、不可再生的能源资源不断消耗，人类社会迫切需要提高能源的利用效率，开拓新能源和可再生能源，而这些均离不开电化学储能电池。
传统的以有机溶剂为电解液的锂离子电池虽然具有能量密度高的优势，但存在安全性较低和成本较高的问题。与之相比，水系离子电池具有价格低廉、无环境污染且安全性高等优点，在电网级别的大规模储能领域具有潜在的重要前景。
由于钠资源相对丰富，钠离子水系电池被认为是下一代水系二次电池的理想选择。目前，美国的Aquion Energy和Alveo Energy两家公司正在积极开发基于钠离子水系电池的储能系统，而中国在这方面研究不足。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所研制的新型水系锂钠混合离子电池，可谓钠离子电池家族中增添的一支新军。
该类电池的一极采用选择性嵌入/脱嵌锂离子的化合物为活性材料，而另一极则选用选择性嵌入/脱嵌钠离子的化合物作为活性材料，同时以锂钠混合离子水溶液作为电解质。
与传统锂离子电池“摇椅式”的工作原理不同，该类电池在充放电过程中，锂离子和钠离子分别仅在电池的一极与电解液之间移动。得益于这种独特的工作原理，该类电池不但能储存电能，而且还具有分离金属离子的功能，可谓“一举两用”。
锂钠混合离子电池的美妙之处在于其双功能性。锂和钠在元素周期表中属同族元素，它俩化学性质相似，难以分离。
现有的分离技术多采用化学方法，需要大量的Na2CO3、AlCl3或锰氧化物等化学试剂，耗时、成本高和环境不友好。
采用锂钠混合离子电池技术即可在储存和释放电能的同时又分离锂、钠离子。这种分离技术与现有其他化学方法相比，更为高效和绿色，因而其在大规模分离海或卤水中的锂、钠元素方面具有重要应用前景。
电化学储能有望成为21世纪具有持续、爆炸式发展潜力的新兴产业。基于钠离子电池的储能技术很可能是未来最重要的储能技术之一。
锂离子电池的发展导致全世界对锂资源的需求日益增加。据统计，至2012年，世界上83%的锂是从海或卤水中提取的，因此发展新型有效的分离技术迫在眉睫。
现在，“一举两用”电池的出现，既为电化学储能技术的发展提供了新思路，又为锂钠分离技术的发展提供了新契机。
（作者单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）
