Chem封面：电池？固氮？
氮气，作为地球大气层中含量最高的气体，可谓取之不尽用之不竭。但是，氮气分子中两个氮原子之间的N≡N三键十分强大，键能高达946 kJ/mol，在正常条件下相当稳定。因此将空气中的游离氮转化为化合态氮的固氮过程，对于化学工业来说很不容易。目前最成功的利用氮气和氢气制造氨的哈伯法（Haber-Bösch process），效率虽高，但需要高温、高压和催化剂，耗能巨大而且产生大量的温室气体二氧化碳。电化学固氮的研究也不少见，但反应效率和产率还都不能让人满意。
近日，Cell Press旗下Chem 杂志以封面文章的形式报道了中国科学院长春应用化学研究所的张新波研究员课题组在这个领域的新突破。他们提出并论证了通过Li-N2可充电电池固氮的可能性，基于可逆固氮反应6Li + N2 ⇋ 2Li3N。该电池表现出较高的库仑效率（59%）和良好的循环性能，无需高温高压，条件温和。这不仅为人工固氮提供了一个很有前景的方案，也下一代电化学储能家族增添了一个新成员。
Chem封面及Li-N2电池固氮
说到Li-N2电池，不由得想起近几年火热的Li-S、Li-O2、Li-CO2等电池。从表中的理论数据可以看出，Li-N2电池的比容量很高，不过由于目前电压窗口太小，能量密度并不是特别高。
表1 不同锂电池的理论数值
再来看看Li-N2电池的结构，金属Li做负极，醚基LiCF3SO3电解液，碳布做正极，直接利用空气中的氮气。
Li-N2电池照片
研究者测试了0.05mV s-1扫速下，在N2和Ar两个不同环境下电池的循环伏安曲线，1.3V的峰被认为是固氮反应，0.7V的峰被认为形成了插层化合物。电池充放电过程中发生的电极反应如下：
Li-N2电池示意图、电性能测试及循环测试曲线
接下来看看固氮的效果。首先，研究者在不同的充放电状态下，将正极浸入Nessler试剂，检验Li3N水解产生的NH4+。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可以进一步有效提升固氮效率。
电化学固氮过程分析
总之，这一基于可逆固氮反应的Li-N2可充电电池，不仅是在储能领域的技术进步，更提供一种温和条件下的人工固氮过程。虽然电池器件还只是“原型”水平，但本文的重点在“概念验证（proof-of-concept）”。文章末尾，作者也强调，未来还需要加大投入，开发稳定的Li-N2电池正极、负极、电解质，并仔细研究电池反应的复杂机理。
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