我國(guó)學(xué)者重新定位下一代鋰二氧化碳電池的發(fā)展和應(yīng)用方向

(資料圖)

記者3日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)通過(guò)探究多組分協(xié)同傳輸對(duì)鋰二氧化碳(Li-CO2)電池的作用規(guī)律，重新認(rèn)識(shí)了鋰二氧化碳電池的工作電壓，為下一代鋰二氧化碳電池的發(fā)展提供了調(diào)控策略。相關(guān)成果日前在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》在線(xiàn)發(fā)表。

鋰二氧化碳電池能夠輸出電能的同時(shí)將二氧化碳固定為碳酸鹽和碳，因而具有儲(chǔ)能和固碳的雙重優(yōu)勢(shì)。先前的報(bào)道普遍認(rèn)為鋰二氧化碳電池的工作電位和鋰氧電池相似，在2.6伏左右。但緩慢的二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)是否能夠媲美更活潑氧氣還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生這樣高的電壓。

研究團(tuán)隊(duì)搭建了一種電化學(xué)測(cè)試平臺(tái)，使電池中的活性氣體流動(dòng)起來(lái)，確保了純凈的二氧化碳環(huán)境。碳電極、催化劑負(fù)載的碳電極及非碳電極均表明鋰二氧化碳電池的工作電壓為約1.1伏，且二氧化碳還原反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于氧還原反應(yīng)。經(jīng)產(chǎn)物測(cè)試分析，研究團(tuán)隊(duì)提出約1.1伏電壓下的放電產(chǎn)物為晶態(tài)、非晶態(tài)碳酸鋰以及非晶態(tài)碳的混合物，肯定了四電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。研究表明，部分研究中所呈現(xiàn)的TEM圖像很可能不是自然放電產(chǎn)物，而是電子束誘導(dǎo)的物質(zhì)形態(tài)。

中國(guó)科大供圖

為尋找高電壓的來(lái)源，研究團(tuán)隊(duì)將電壓平臺(tái)提升至1.8-2.0伏，放電產(chǎn)物中并沒(méi)有檢測(cè)到氫氧化鋰、氧化鋰等副產(chǎn)物。然而，所產(chǎn)生碳酸鋰的形貌和結(jié)晶度卻有明顯差異。氧氣和水通過(guò)改變碳酸鋰的生成路徑降低能量勢(shì)壘，并且有效緩解電極鈍化，從而加快反應(yīng)速率，提升放電電壓平臺(tái)。隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬先前報(bào)道中靜態(tài)封存二氧化碳的測(cè)試方法，成功復(fù)刻出了2.6伏電壓平臺(tái)，鋰源產(chǎn)物仍然為單一的碳酸鋰。

這項(xiàng)研究重新定位了下一代鋰二氧化碳電池的發(fā)展和應(yīng)用方向：一方面，進(jìn)行純二氧化碳環(huán)境下的機(jī)理研究，開(kāi)發(fā)相適配的組件如催化劑、電解質(zhì)和電極，而不是復(fù)制先前的研究或鋰氧電池。另一方面，面向大規(guī)模廢氣處理或深空探測(cè)，開(kāi)發(fā)環(huán)境氣體輔助的二氧化碳基電池。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳 重新定位 工作電壓 反應(yīng)速率 美國(guó)科學(xué)院院刊