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2023年02月01日
中国科大在锂二氧化碳电池机理研究中取得重要进展

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锂二氧化碳(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。相关成果于1月31日在国际著名学术期刊美国科学院院刊《PNAS》以直投方式(Directsubmission)在线发表了题为“Unveiling the mysteries of operating voltages of lithium carbon dioxide batteries”的研究论文。

Li-CO2电池能够输出电能的同时将CO2固定为碳酸盐和碳,因而具有储能和固碳的双重优势。先前的报道普遍认为Li-CO2电池的工作电位和锂氧(Li-O2)电池相似,在2.6V左右。但缓慢的CO2还原反应(CO2RR)是否能够媲美更活泼氧气还原反应,从而产生这样高的电压吗?

研究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~1.1 V,且CO2RR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~2.82 V。

图一 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~1.1 V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2.8 V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500 ppm H2O将电压平台提升至1.8~2.0 V,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~2.6 V电压平台,锂源产物仍然为单一的Li2CO3

图二 解耦空气组分和工作条件对电池性能的影响

因此,需要重新定位下一代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。

我校工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏为该论文的通讯作者,博士后肖旭和博士研究生张卓君为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家创新人才计划青年项目、中科院人才项目和唐仲英基金会仲英青年学者项目的支持。

论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217454120

工程科学学院热科学和能源工程系


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