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本文聚焦液态钠金属、固体电解质膜及加湿空气构建的新型钠 - 空气燃料电池，其兼具高能量密度发电与捕获 CO?或生成工业化学品的特性，为难以脱碳的交通等领域提供可持续、低碳的能源载体新方案。
研究背景与意义
金属可作为燃料通过燃烧或电化学过程释放能量，锂、钠等轻金属因高比能在难以脱碳的交通领域具有吸引力。传统碱金属 - 空气电池因固体放电产物形成，存在可充电性差、功率低等问题。本研究开发液态钠 - 空气燃料电池，利用固体电解质膜和加湿空气，实现高能量密度电力输出，同时其放电产物可捕获大气 CO?或作为工业化学品，为钠金属作为可持续低碳能源载体提供路径。
电池设计与工作原理
该燃料电池采用液态钠金属（熔点 98°C）、钠离子传导固体电解质（Na-β″氧化铝）和空气阴极。通过设计 NaOH 为放电产物并加湿输入氧气或空气流，使固体潮解为浓 NaOH 溶液（>50 wt%）。在 100°C–150°C 中等温度及 0.1–0.5 bar 水蒸气压下，可实现液态钠持续供应和放电产物连续移除。放电产物在不同环境下可为 NaOH、碳酸钠或碳酸氢钠，其中 NaOH 潮解特性利于产物移除。
实验设计与性能测试
实验室采用 H 型电池、棱柱形和托盘形三种细胞设计，固体电解质分隔钠金属室与空气阴极，控制气流成分。Na-β″氧化铝在室温下钠离子电导率为 3.3 mS/cm，液态钠 - 固体电解质界面阻抗低，溅射锡膜可改善钠与电解质润湿性。阴极反应受电解质和材料影响，加湿氧气流可提高开路电压和工作电压，降低极化。当水活度≥0.1 时，过电位降低并趋于恒定，加湿气流使放电产物形成于阴极外部，易于移除。
放电产物特性与分析
X 射线衍射表明，加湿条件下放电产物初始为 NaOH?H?O 结晶相，暴露于空气中后迅速潮解为液体，吸收 CO?生成碳酸钠。原位拉曼光谱证实放电过程生成 NaOH 并观察到潮解现象，未检测到 NaO?，推测其迅速分解为 NaOH。潮解使液体 NaOH 溶液促进电荷转移，防止固体产物积累导致的欧姆电阻增加，保持阴极活性位点开放。
燃料电池性能表现
在 110°C、0.27 bar 水蒸气压下，使用气体扩散电极的托盘电池，氧气或空气流均可使电池放电至钠耗尽。空气电池在 80 mA/cm2 下平均电压 1.32 V，容量达 2797 mAh/cm2，对应钠厚度 2.3 cm。堆叠能量密度在 80 mA/cm2 时为 1200 Wh/kg（1295 Wh/L），40 mA/cm2 时为 1540 Wh/kg（1760 Wh/L）。与传统电池相比，该燃料电池在电流密度、面积容量、功率和能量密度上均显著提升，满足部分难以脱碳交通应用需求。
技术经济与系统考量
钠金属生产成本预计为 0.8–1 美元 / 千克，若氯副产品充分利用，成本可更低。与绿色氢、氨、可持续航空燃料等相比，钠 - 空气燃料电池在封闭系统中交付能源成本最低，开放系统中具成本竞争力。钠金属曾大规模生产，运输和处置有先例，其丰富储量、低成本及高电池性能，使其有望成为未来能源载体。
