《思想大爆炸——对话科学家》栏目第106期，对话中国科学技术大学应用化学系教授陈维。

嘉宾简介：

陈维，中国科学技术大学应用化学系教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。专注于大规模储能电池、电催化等研究。

划重点：

1. 氢气电池最大的特点就是能量效率高，而且循环稳定性也很好，成本低廉、寿命较长，使用起来也非常安全。

2. 陈维团队利用氢气的优异氧化还原特性，把正极氢气与低电位负极进行配对，由于锂金属自身能量密度高，与氢气搭配后就变成了锂氢气电池，电位也有所上升，可以超过3 V。

3. 无负极可充电锂金属-氢气电池最开始负极上只有一个金属铜的集流体，并没有锂，在充电时，可以从低成本的锂盐中沉积锂金属生成负极，组装起来更安全。

4. 陈维团队还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，成功回收了废旧电池正极材料中的锂资源，高效、环保且具有经济价值。

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作者｜周锦童

编辑｜杨锦

氢气是最具前景、经济高效的可再生资源之一。近日，中国科学技术大学陈维教授课题组提出了氢气电极作为正极的电池化学新体系，首次开发出一种可充电锂金属-氢气电池，为未来可再生能源的高效利用和储存提供了新的可能性。此外，他们还实现了废旧锂电池的绿色回收。

对此，对话了陈维教授。

成本更低、更安全的可充电锂金属-氢气电池

“氢气电池是新型的电池体系，但我们研究的并不是使用氢气的燃料电池，而是一种能够进行充放电的二次电池，这种电池不需要加氢，在充电时会自己产生氢气，放电时又会把氢气消耗掉。”

陈维介绍，这类电池最大的特点就是能量效率高，而且由于氢气的氧化还原反应非常稳定，循环稳定性也很好，可以与多种电极相匹配。“当然成本也比较低，氢气是从水中产生，只需要消耗电。由于电池里面是纯氢气，使用起来也非常安全。”

前期陈维团队将氢气电极用作负极，创制了不同类型的氢气电池体系，包括镍-氢气电池、卤素-氢气电池、质子-氢气电池和碳-氢气电池等，但这些电池只能在1.5 V有限工作电压下运行，能量密度相对较低。

因此，他们利用氢气的优异氧化还原特性，把氢气从负极变成了正极，与低电位负极进行配对，而锂金属自身能量密度非常高，和氢气搭配后就变成了锂氢气电池，电位也有所上升，可以超过3 V。

“因为能量密度是由正负极的容量以及电位差决定的，所以这种电池电位更高，正负极容量更高，它的能量密度就更高，比现有的锂离子电池要高好几倍。”陈维解释道。

至于使用寿命的话，陈维称目前还没有做到现在锂离子电池那么长，作为一个新型的体系，还有一些关键问题需要解决。

“现在各个类型的锂离子电池都非常成熟了，包括三元的、磷酸铁锂的，它们的容量都非常高，寿命也很长，后续我们也会逐步在这方面进行提升。”

陈维表示，未来会对材料进行改进，促进电池技术更好的发展，同时也会逐步和产业界进行合作，慢慢推动氢气电池从实验室走向应用市场。

或成为下一代主流储能技术

值得一提的是，陈维团队还进一步构建了一种无负极可充电锂金属-氢气电池。

正极为氢，负极为锂，无负极的意思就是最开始负极上并没有锂，由于地壳中锂的含量较低，而且前几年锂的价格飙升很快，且波动较大，直接用锂成本较高，所以行业中就出现了无负极的锂金属电池。

“这种电池最开始负极上只有一个金属铜的集流体，充电时锂会从正极过来，从电解液里面沉积出锂到负极上，放电时锂又溶解回电解液，然后再到正极。”

“因为锂离子电池出问题主要是锂金属容易出问题，锂是非常活跃的，跟水都会发生剧烈反应。”

开始组装电池时不含锂，会使得电池更加安全，但是对无负极的锂金属电池挑战也非常大。

“这相当于一开始要在负极上面‘长’一层锂，所以怎样控制负极的集流体让锂能很好地在上面生长是关键的问题，出于这些考虑，我们进一步拓展了锂金属氢气电池，进行了从有负极到无负极的探究。”

陈维十分看好氢气电池的发展前景，他认为其很有可能成为下一代的主流储能技术之一。

“因为它有一个杀手锏，那就是超长循环，基本上现在所有的电池都很难与之抗衡，像镍氢气电池已经被NASA在太空中使用超过30年了，循环次数超过十万圈。”

“如果我们可以制备出一款价格低廉、循环寿命长、安全性高的氢气电池，那将会给整个储能领域带来新的希望。”陈维肯定道。

除了聚焦于大规模储能电池领域，陈维团队也进行电催化方面的研究，开发了一种废旧锂电池回收-能量输出耦合技术。比如，把汽车尾气、工厂废气、二氧化碳等气体通过电催化的形式处理掉。

氮氧化物，比如一氧化氮、二氧化氮都是有毒的气体，陈维团队把催化和电池二者巧妙地联系了起来，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，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。

目前，锂离子电池是产业应用主流，使用广泛，但一颗锂电池一般在使用五年、十年后就会报废，怎样回收让它不污染环境是很大的问题。

相比之前惯用的废旧锂电池回收方式，比如添加各种酸碱等物质进行反应，甚至是焚烧，会释放大量的有毒气体，陈维团队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解决方案。

“这个反应不仅不需要输入能量，反而在整个过程中，还有电能的输出，是电池跟催化完美结合的例子之一。而且整个体系成本也比较低廉，只需要用到很少的电解液，还不消耗电。”陈维补充道。

谈及成熟度时，陈维坦言：“这项技术是比较前沿的，更多的是对现有技术的补充，并不会完全颠覆现有技术，且还存在一定的局限性，比如产率不够高、进行大规模回收有困难、稳定性还有待提升等。”

因此，陈维团队在未来也会针对这些问题不断改进，首先就是要考虑如何把它用起来，实现大规模废旧锂电池的回收。