中国粉体网讯 经济的飞速发展，推动着世界对各类能源的庞大需求。在当今能源格局中，化石能源仍占据主要地位，但大量、持续的化石能源消耗，也导致了大量的二氧化碳（CO2）气体的排放。
一方面，化石能源属于非可再生能源，终将面临不可避免的能源枯竭问题；另一方面，温室效应的不断加剧，也迫使各国寻求一种可持续的绿色能源。
在新能源电池领域，锂-二氧化碳（Li-CO2）电池似乎是个“一举两得”之法。
近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队通过探究多组分协同传输对Li-CO2电池的作用规律，重新认识了Li-CO2电池的工作电压，为下一代Li-CO2电池的发展提供了调控策略。相关成果以题为“Unveiling the mysteries of operating voltages of lithium carbon dioxide batteries”发表于美国科学院院刊《PNAS》。
能量密度是锂离子电池的7倍
Li-CO2电池是一种新型锂离子电池，普遍认为是储能领域的重要技术。
一般而言，Li-CO2电池的工作原理是当对电池进行充电时，锂离子从电池正极经过电解液运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中。因此，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样道理，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
1985年，诺贝尔化学奖获得者吉野彰首次制作了第一个现代意义上的二次锂离子电池。1991年，索尼公司开始大规模生产商用锂离子电池。同时，为了满足更多设备和约束条件下的使用要求，锂电先驱塔拉斯孔等人开始研究Li-O2电池，随后的Li-CO2电池，正是在Li-O2电池的基础上发展起来的。
Li-CO2电池的能量密度是锂离子电池的7倍以上。此外，Li-CO2电池能够在输出电能的同时将CO2固定为碳酸盐和碳，因而具有储能和固碳的双重优势。
作为一种具备极大发展潜力的可充电电池，Li-CO2电池比容量极高，但是目前还处于发展的初级阶段。影响Li-CO2电池效能的因素有很多，包括电池的正负极材料、电解质等。
寻找高电压的来源
此前普遍认为，Li-CO2电池的工作电位和Li-O2电池相似，在2.6伏左右。但缓慢的CO2还原反应是否真的能够媲美更活泼的O2还原反应，从而产生高电压？
谈鹏团队搭建了一种电化学测试平台，使电池中的活性气体流动起来，确保了纯净的CO2环境。碳电极（CNT）、催化剂负载的碳电极（RuO2/CNT）及非碳电极（RuO2/NiO）均表明Li-CO2电池的工作电压为~1.1V，且CO2 RR速率远低于氧还原反应。恒电流间歇滴定技术明确其平衡电位为~2.82V。
电化学测试平台搭建与性能测试
经产物测试分析，研究团队提出~1.1V电压下的放电产物为晶态、非晶态Li2CO3以及非晶态碳的混合物，肯定了四电子转移机制（Li++CO2+4e−→Li2CO3+C）。基于该机制的理论平衡电位2.8V与测试结果一致。结合电化学和产物分析的结果，四电子转移路径是缓慢进行的，似乎更符合低电压平台和惰性CO2特性，因此Li-CO2电池放电过程中会导致较大的过电位。此外，研究发现随着TEM表征时间的进行，放电产物发生明显的塌陷。在电子束照射下，微小颗粒开始漂移，并通过吞噬非晶态物质和合并其他颗粒的方式不断生长。在此过程中，逐渐清晰的Li2CO3(020)和新出现的Li2CO3(313)晶面表明，非晶态物质向晶态转变。因此，部分研究中所呈现的TEM图像很可能不是自然放电产物，而是电子束诱导的物质形态。
为寻找高电压的来源，研究团队进一步探究了解耦空气组分和工作条件对电池性能的影响。1%O2和500ppmH2O将电压平台提升至1.8~2.0V，放电产物中并没有检测到LiOH，Li2O2等副产物。然而，所产生Li2CO3的形貌和结晶度却有明显差异。O2和H2O通过改变Li2CO3的生成路径降低能量势垒，并且有效缓解电极钝化，从而加快反应速率，提升放电电压平台。基于解耦分析，测试装置中轻微的空气残留或者泄露可能导致更高的电压平台，且极难以察觉。随后，研究团队通过模拟先前报道中静态封存CO2的测试方法，成功复刻出了~2.6V电压平台，锂源产物仍然为单一的Li2CO3。
解耦空气组分和工作条件对电池性能的影响
这项研究重新定位了下一代Li-CO2电池的发展和应用方向：一方面，进行纯CO2环境下的机理研究，开发相适配的组件如催化剂、电解质和电极，而不是复制先前的研究或Li-O2电池；另一方面，面向大规模废气处理或深空探测，开发环境气体辅助的CO2基电池。
参考资料：中国科学技术大学、科技日报
（中国粉体网编辑整理/长安）
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