传统的人工固氮不仅需要巨大的能耗，还导致额外的环境污染，因此，如何实现生态高效、环境友好的固氮已经成为极具挑战性的课题。近年来，受启发于快速发展的金属空气电池以及氮气也可以被激活用于储存可再生能源等实验事实，一种将储能体系与N₂固定相结合的新型Li-N₂电池被提出。根据之前的报道，在Li-N₂电池的放电过程中正极会产生Li₃N，反过来，在充电过程中将发生放电产物的分解，即总反应为：6Li+N₂ ⇌ 2Li₃N。然而，一个简单的化学反应背后涉及一系列复杂的问题：在强的非极性N≡N三键的影响下Li₃N能否顺利生成？Li₃N真的可逆分解吗？Li₃N极其不稳定，易与水、氧反应的性质会对放电产物产生何种影响？锂负极在体系中发挥什么作用？

近日，南开大学周震教授（点击查看介绍）和信阳师范学院张彰博士（点击查看介绍）将石墨烯作为正极材料引入Li-N₂电池。在实现优异的循环稳定性的基础上，这一体系提出的概念证明也为Li-N₂电池提供强有力的测试表征，促进了对Li-N₂电池的全面理解。

通过配备了氩离子溅射的X射线光电子能谱仪和原位红外光谱对Li₃N的性质研究可知，由于Li₃N的不稳定性和易吸湿性导致部分Li₃N在电化学过程中与体系中的痕量水和含氧官能团反应转化为LiOH以及其他复杂的含氧化合物。因此，这种新型的Li-N₂电池确实可以起到固氮的作用，但无法避免副产物的生成。此外，强的非极性N≡N共价三键和高的电离能致使Li-N₂电池的效率降低。这些因素共同作用，导致了系统的不可逆性。

为进一步确定Li-N₂电池的稳定性，张彰博士对电池负极进行了研究。一系列测试表明锂负极端原位生成的Li₃N和LiOH可以有效地调节Li沉积行为并抑制Li-N₂电池中的枝晶生长，使Li⁺在脱嵌过程中的迁移变得更加迅速和可行，从而提高了Li-N₂电池的可充电性。

此项工作为为固氮技术的发展提供了新策略，对后续锂氮气电池的发展和扩展其他金属空气电池的应用有一定意义。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是信阳师范学院张彰博士。

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Li-N₂ Batteries: A Reversible Energy Storage System?

Zhang Zhang, Shuangshuang Wu, Chao Yang, Lingyun Zheng, Dongli Xu, Ruhua Zha, Lin Tang, Kangzhe Cao, Zhen Zhou

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911338

导师介绍

周震

https://www.x-mol.com/university/faculty/11977

张彰

https://www.x-mol.com/university/faculty/60218

（本稿件来自Wiley）