馬里蘭大學胡良兵團隊EES：超高容量和穩定循環的柔性Li-CO2電池

【引言】

CO₂被認為是溫室效應的主要貢獻者。尋求有效和高效的CO₂捕集和利用方法已成為全球范圍內的優先任務。對于火星探測任務而言，使用大氣中CO₂（96％）的能力可以在儲能方面提供巨大的好處。Li-CO₂電池被認為是一個很有前景的CO₂捕集平臺，能夠利用捕獲的CO₂進行儲能。然而，Li-CO₂電池仍然存在各種不足，包括CO₂還原的緩慢動力學，高充放電滯后，超穩定放電產物以及CO₂氣體和電解質的緩慢輸送。因此，需要改進電池架構設計，其提供機械柔性和堅固性，同時還允許增強電化學反應。影響電池的電化學性能的重要因素是其電極的結構。獨特的木材通道結構自然地為氣體和液體提供了傳輸途徑，這使其成為用作Li-CO₂陰極的優異材料。

【成果簡介】

近日，在馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）團隊的帶領下，與美國航空航天局蘭利研究中心和美國國家航空航天研究所合作，報告了一種基于柔性陰極的高容量，機械柔性且高度可充電的Li-CO₂電池，該電池利用了木材的天然結構。木結構中的微通道（容器和腔）確保了足夠的CO₂氣流，而細胞壁的納米通道（纖維素納米纖維之間的間隙）充滿了電解質。此外，木材中的纖維素納米纖維可吸收電解質并形成納米離子通道，改善陰極中的離子傳輸。此外，通過在微通道的內壁上放置釕(Ru)修飾碳納米管(CNT)網絡，為放電產物沉積提供了充足的表面積。在放電期間，流過微通道的CO₂氣流遇到來自納米離子通道的鋰離子和來自通道壁上的CNT網絡的電子，形成放電產物Li₂CO₃。在再充電期間，Li₂CO₃固體分解成鋰離子和CO₂氣體，它們可以分別沿著通道壁和微通道快速轉移走。因此，在這種Li-CO₂電池設計中沒有運輸障礙，這確保了系統的優異可再充電性。所提出的基于柔性木基陰極的Li-CO₂電池可以穩定循環200次，同時保持1000 mA h g_c^-1的高容量和1.5 V的低過電位。另外，由于木材結構有利于CO₂氣體和鋰離子的輸送，因此即使使用超厚的陰極也可以保持高容量。使用2mm厚的陰極已經實現了11?mAh?cm^-2的高容量。除了顯著的電化學性能，通過化學處理部分去除木質素和半纖維素，木基陰極具有出色的機械柔性，為柔性和可穿戴設備的潛在應用帶來希望。相關成果以題為“Flexible lithium-CO₂?battery with ultrahigh capacity and stable cycling”發表在了EES上。

?【圖文導讀】

圖1 自然界的Li-CO₂電池設計示意圖

（a）吸收CO₂進行光合作用的植物示意圖。

（b）用于儲能的柔性木材陰極吸收CO₂的Li-CO₂電池的示意圖。

圖2 柔性木基陰極結構的形態和微觀結構

（a-c）原始輕木（a），化學處理后的柔性木材（b）和引入CNT涂層和釕催化劑（c）后的柔性陰極的照片。

（d）顯示陰極頂部和側面的SEM圖像。

（e）聚焦在陰極的一個微通道上的SEM圖像。沒有觀察到對大規模運輸的阻礙。（f）陰極俯視圖的SEM圖像，顯示了用于CO₂傳輸的多種尺寸的通道。

（g）放大的SEM圖像，描繪陰極上均勻的CNT涂層。

（h）陰極的TEM圖像，顯示在CNT網絡上負載的釕納米顆粒。

圖3?放電產品的特性

（a）基于柔性木材陰極的Li-CO₂電池的放電/充電曲線。在放電（I）和再充電（II）后進行移位表征。

（b,c）放電（b）后和充電后（c）后陰極的整體結構的SEM圖像。

（d,e）在放電產物的形成（d）和分解（e）之后陰極形態的放大SEM圖像。

（f,g）放電產物（f）的詳細結構及其在再充電時的去除，暴露CNT網絡（g）的高倍放大的SEM圖像。

（h,i）微通道中的放電產物的形成（h）和分解（i）的橫截面SEM圖像。

圖4?柔性木材陰極的Li-CO₂電池的電化學性能

（a）基于柔性木質陰極的Li-CO₂電池的充電/放電曲線。

（b）Li-CO₂電池的性能與文獻結果的比較。每個數據點旁邊都標有參考號。

（c）每次充電（紅色）和放電（黑色）的端電壓，在200次循環中幾乎沒有變化。

（d）2mm厚陰極的Li-CO₂電池的放電/充電曲線，顯示超高容量11mAh cm^-2。

（e）循環前原始陰極表面的SEM圖像，顯示頂部的CNT網絡。

（f）100次循環后陰極表面的SEM圖像，其具有與原始陰極相同的形態。

（g）原始陰極中微通道的SEM圖像，沒有任何氣流阻礙。

（h）100次循環后陰極中微通道的SEM圖像，其在循環后保留未阻塞的通路。

圖5?Li-CO₂電池的柔性測試

（a-d）手套箱中具有不同布局的Li-CO₂袋式電池的照片，包括原始電池（a），折疊電池（b），卷起電池（c）和50個折疊循環后的回收電池（d）。

（e）在CO₂氣氛中點亮LED燈泡的軋制Li-CO₂袋式電池的照片。

（f）柔性Li-CO₂電池作為火星探測可穿戴設備的潛力的示意圖。

【小結】

總之，團隊開發了一種柔性Li-CO₂電池，該電池由涂有含Ru催化劑的CNT的木材陰極結構組成。木材獨特的通道結構有利于電解質和CO₂氣體的輸送，從而有效地與CNT/Ru催化劑相互作用，從而大大提高了電化學性能。所提出的Li-CO₂電池在200次循環中表現穩定，沒有性能衰減和1.5V的低而穩定的過電位。另外，改進的傳輸方式使得陰極尺寸的設計具有很大的自由度，因為陰極上的所有活性位點都可以在不損失容量的情況下被充分利用。使用2mm厚的陰極，實現了11?mAh cm^-2的高放電容量，遠高于文獻中證明的典型值。Li-CO₂電池的高容量和長循環壽命使其對CO₂捕獲和利用具有吸引力。此外，通過化學處理除去木質素和半纖維素的木材陰極具有卓越的柔韌性，使Li-CO₂電池成為一種很有前途的可穿戴儲能設備，可應用于火星探測和便攜式電子設備。

文獻鏈接：Flexible lithium-CO₂?battery with ultrahigh capacity and stable cycling（EES ,2018,DOI：10.1039/C8EE01468J）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。