超高容量和稳定循环的柔性Li-CO2电池

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CO2被认为是温室效应的主要贡献者。寻求有效和高效的CO2捕集和利用方法已成为全球范围内的优先任务。对于火星探测任务而言，使用大气中CO2（96％）的能力可以在储能方面提供巨大的好处。Li-CO2电池被认为是一个很有前景的CO2捕集平台，能够利用捕获的CO2进行储能。然而，Li-CO2电池仍然存在各种不足，包括CO2还原的缓慢动力学，高充放电滞后，超稳定放电产物以及CO2气体和电解质的缓慢输送。因此，需要改进电池架构设计，其提供机械柔性和坚固性，同时还允许增强电化学反应。影响电池的电化学性能的重要因素是其电极的结构。独特的木材通道结构自然地为气体和液体提供了传输途径，这使其成为用作Li-CO2阴极的优异材料。

近日，在马里兰大学胡良兵教授团队的带领下，与美国航空航天局兰利研究中心和美国国家航空航天研究所合作，报告了一种基于柔性阴极的高容量，机械柔性且高度可充电的Li-CO2电池，该电池利用了木材的天然结构。木结构中的微通道（容器和腔）确保了足够的CO2气流，而细胞壁的纳米通道（纤维素纳米纤维之间的间隙）充满了电解质。此外，木材中的纤维素纳米纤维可吸收电解质并形成纳米离子通道，改善阴极中的离子传输。此外，通过在微通道的内壁上放置钌(Ru)修饰碳纳米管(CNT)网络，为放电产物沉积提供了充足的表面积。在放电期间，流过微通道的CO2气流遇到来自纳米离子通道的锂离子和来自通道壁上的CNT网络的电子，形成放电产物Li2CO3。在再充电期间，Li2CO3固体分解成锂离子和CO2气体，它们可以分别沿着通道壁和微通道快速转移走。因此，在这种Li-CO2电池设计中没有运输障碍，这确保了系统的优异可再充电性。所提出的基于柔性木基阴极的Li-CO2电池可以稳定循环200次，同时保持1000 mA h gc-1的高容量和1.5 V的低过电位。另外，由于木材结构有利于CO2气体和锂离子的输送，因此即使使用超厚的阴极也可以保持高容量。使用2mm厚的阴极已经实现了11 mAh cm-2的高容量。除了显著的电化学性能，通过化学处理部分去除木质素和半纤维素，木基阴极具有出色的机械柔性，为柔性和可穿戴设备的潜在应用带来希望。相关成果以题为“Flexible lithium-CO2 battery with ultrahigh capacity and stable cycling”发表在了EES上。

总之，团队开发了一种柔性Li-CO2电池，该电池由涂有含Ru催化剂的CNT的木材阴极结构组成。木材独特的通道结构有利于电解质和CO2气体的输送，从而有效地与CNT/Ru催化剂相互作用，从而大大提高了电化学性能。所提出的Li-CO2电池在200次循环中表现稳定，没有性能衰减和1.5V的低而稳定的过电位。另外，改进的传输方式使得阴极尺寸的设计具有很大的自由度，因为阴极上的所有活性位点都可以在不损失容量的情况下被充分利用。使用2mm厚的阴极，实现了11 mAh cm-2的高放电容量，远高于文献中证明的典型值。Li-CO2电池的高容量和长循环寿命使其对CO2捕获和利用具有吸引力。此外，通过化学处理除去木质素和半纤维素的木材阴极具有卓越的柔韧性，使Li-CO2电池成为一种很有前途的可穿戴储能设备，可应用于火星探测和便携式电子设备。

文献链接：Flexible lithium-CO2 battery with ultrahigh capacity and stable cycling（EES ,2018,DOI：10.1039/C8EE01468J）