Chem封面论 ：Li-N2电池
氮元素占空气体积的78%，在自然界中储量丰富。但N≡N是自然界中最稳定的化学键之一，不易参与化学反应。因此通过常规的化学手段将氮气分子固定下来，并转化为可被利用的化肥、制冷剂、燃料和其他工业原料已经成为受科学家关注的重大课题。
Chem期刊封面
Li-N2电池简介
为了更好地利用空气中的氮气，固氮技术一直是氮气利用的研究方向之一。比如，生物固氮研究的焦点是豆科植物与根瘤菌共生固氮，其中根瘤菌依赖于植物提供的碳水化合物，利用分子态氮（N2）进行反应。但该方法难以实现人工模拟，无法应用到工业生产中。
工业上主要依赖20世纪初被提出的Haber-Bosch法，即在高温高压条件下，利用金属催化剂，将氢气和氮气以一定的比例混合，在催化剂表面完成固氮过程，但该方法生产工艺复杂、耗能大、产量低。此外，较高的实验温度容易引发固氮产物分解，降低固氮效率，原子利用率低。
人们一直在寻求一些高效的人工固氮方法。等离子体法、电弧放电法、金属有机物螯合物法等方法都已被广泛 道。但它们虽然实现了常温常压下的固氮过程，但固氮产物的浓度尚不理想，且固氮反应所需的设备和药品昂贵，经济性差。因此，如何寻求一些更加高效且经济的固氮技术，同时又能使其具有更高的实用性，已成为被领域内众多前沿科研人员广为关注的焦点。
有鉴于此，中国科学院长春应用化学研究所张新波研究员团队概念性验证了一种基于锂-氮气电池的新型固氮技术。该电池在放电过程中固定氮气，充电过程中释放氮气，既实现氮气的循环，又对外提供电能。该技术不仅扩展了人工固氮的新方法，将固氮技术与新能源联系在一起，而且填补了锂-氮气二次电池技术领域的空白。
基于空气电池的基本工艺，锂-氮气电池主要由锂箔负极、玻璃纤维隔板和多孔的碳布正极组成。氮气作为正极活性物质参与放电反应，醚类电解液作为传导锂离子的载体。
其中碳布不仅具有输送氮气的孔道结构，而且较高的导电性为电子的传递提供了充分保障。其次，考虑到金属钌（Ru）和二氧化锆（ZrO2）催化剂对氮气分子具有较好的吸附活性，通过简单的化学负载，将催化剂均匀的生长在碳布基底上，就能成功构筑一体化电极。
该一体化的正极结构既有利于氮气的吸附又有利于导电性的提高，实现了较高的固氮法拉第效率（59%）。
具体来说，锂-氮气电池在放电过程中，含有锂的负极会释放出锂离子，锂离子向正极移动，并在负载有催化剂的碳布阴极表面与氮气发生反应，形成氮化锂，在充电时则发生逆反应。
为了验证固氮的效果，首先在不同的充放电状态下，将正极浸入奈斯勒试剂，检验Li3N水解产生的NH4+，相应的结果通过核磁共振波谱进行验证。随着放电时间增加，溶液逐渐变暗，说明Li3N逐渐增加，而充电开始后，溶液逐渐恢复透明，说明Li3N逐渐分解，整个过程可逆。同时，如果在正极负载Ru或ZrO2则可以进一步有效提升固氮效率。
总之，这一基于可逆固氮反应的锂-氮气电池，不仅是储能领域的技术进步，更提供了一种温和条件下的人工固氮过程。锂-氮气电池的研究还处于起步阶段，目前仅仅是做了概念性验证的工作。未来还需要加大投入，开发锂-氮气电池所需的正极、负极及电解质，抑制副反应，并对电池反应机理进行深入研究。
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