郭少軍&陳人杰 Adv. Mater.: 多孔碳納米管上完全覆蓋的皺折Ir納米片，用于長壽命可充電鋰—二氧化碳電池

【引言】

能源短缺和環境污染是人類社會實現可持續發展面臨的嚴峻挑戰。當前社會的主要能源仍然是不可再生的化石燃料，伴隨著大量的溫室氣體產生，導致全球氣溫加速上升。因此，如何以環保的方式捕獲二氧化碳并將二氧化碳轉化為可再生能源引起了廣泛的關注。其中，作為創新能量儲存的鋰—二氧化碳電池是一種新型的綠色能源儲存和轉換系統，可以以環保的方式利用大氣中的二氧化碳。然而，現有Li-CO₂電池的最大問題是它們具有高極化和差的循環性能，主要是由絕緣和不溶性放電產物Li₂CO₃引起的。因此，如何解決由Li₂CO₃引起的問題，是目前研究的熱點和重點。

【成果簡介】

近日，北京理工大學的陳人杰教授和北京大學的郭少軍教授（共同通訊作者）等報道了一種完全錨定在N摻雜碳納米纖維（Ir NSs-CNFs）表面上的起皺、超薄Ir納米片，作為改善鋰—二氧化碳電池性能的有效陰極。改善后的電池可以穩定地放電并充電至少400次循環，截止容量為1000 mAh g^-1—500 mA g^-1。同時，發現了目前最小電荷過電位現象，即陰極通過在100 mA g^-1下顯示低于3.8 V的充電終止電壓來有效地降低電荷過電位。在放電過程中，對中間產物的非原位分析表明Ir NSs-CNFs可以極大地穩定無定形顆粒中間體（可能是Li₂C₂O₄）并延遲其進一步轉變為薄板狀Li₂CO₃；而在充電過程中，它可以使 Li₂CO₃易于完全分解，大大提高鋰—二氧化碳電池的性能。研究成果以為“Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO₂ Batteries”題發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、Ir NSs-CNFs的理化表征
（a-c）Ir NSs-CNFs的TEM圖；

（d）Ir NSs-CNFs高分辨的TEM圖；

（e）Ir NSs-CNFs高角度環形暗場掃描TEM圖；

（f）Ir NSs-CNFs的元素映射；

（g）Ir NSs-CNFs的原理示意圖；

（h）Ir NSs-CNFs的XRD圖譜；

（i）Ir NSs-CNFs的XPS分析；

（j）Ir NSs-CNFs的Ir 4f XPS分析。

圖二、Ir NSs-CNFs 和 CNFs作為陰極的Li-CO₂電池容量對比
（a-c）Ir NSs-CNFs和CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的第一次放電/充電特性，分別在100, 200和500 mA g^-1的不同電流密度下具有1000 mAh g^-1的有限容量；

（d）Ir NSs-CNFs和CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的循環性能，電流密度為200 mA g^-1，容量為1000 mAh g^-1；

（e）Ir NSs-CNFs和CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的循環性能，電流密度為500 mA g^-1，容量為1000 mAh g^-1。

圖三、Ir NSs-CNFs 和 CNFs作為陰極的Li-CO₂電池容量和循環次數
（a） CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的深度放電/充電曲線，電流密度為0.05 mA cm^-2，電壓范圍為2.0 - 4.5 V；

（b） Ir NSs-CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的深度放電/充電曲線，電流密度為0.05 mA cm^-2，電壓范圍為2.0 - 4.5 V；

（c） CNFs和Ir NSs-CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的放電和充電容量與循環次數在0.05 mA cm^-2，電壓范圍為2.0-4.5 V；

（d） 在CO₂氣氛下，具有CNFs和Ir NSs-CNFs陰極的Li-CO₂電池在0.2 mV s^-1下的CV曲線。

圖四、在初始放電過程中，Ir NSs-CNFs 和 CNFs兩種電極上形成的不同放電產物
（a） 在電壓密度為0.05 mA cm^-2，電壓范圍為2.0-4.5 V時，CNFs和Ir NSs-CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的第一次深放電/充電曲線；

（b, c）第一次放電/充電曲線中不同階段的CNFs（b）和Ir NSs-CNFs（c）陰極的XRD圖譜；

（d-g） 在不同放電和充電過程之后觀察到CNFs陰極的SEM圖像：d）放電至0.5 mAh cm^-2（B'），e）放電至1.0 mAh cm^-2（C'），f）放電至2.0 V（D'），g）重新充電（E'）；

（h-k） 在不同的放電和充電過程之后觀察到Ir NSs-CNFs陰極的SEM圖像：h）放電至0.5 mAh cm^-2（B），i）放電至1.0 mAh cm^-2（C），j）放電至2.0 V（ D），k）再充電（E）。

圖五、Ir NSs-CNFs和CNFs作為電極的放電產物的XPS分析
（a-d） CNFs陰極的XPS光譜：a）原始（A'），b）放電至1.0 mAh （C'），c）放電至2.0 V（D'），d）以放電容量再充電（E'）；

（e-h） Ir NSs-CNFs陰極的XPS光譜：e）原子（A），f）放電至1.0mAh cm^-2（C），g）放電至2.0 V（D），h）以放電容量再充電。

圖六、Ir NSs-CNFs和CNFs作為陰極的Li-CO₂電池的產物Li₂CO₃的分解處理
（a, b）第一次深度放電過程中不同階段的CNFs（a）和Ir NSs-CNFs（b）陰極的IR光譜；

（c）Ir NSs-CNFs和CNFs陰極放電產物的形成和分解示意圖。

【小結】

成功地設計和制造了完全覆蓋在N摻雜碳納米纖維材料表面上的起皺、超薄Ir納米片作為高性能Li-CO₂電池的陰極。由于穩定的結構和非常高的催化活性，Ir NSs-CNFs作為陰極可以實現Li-CO₂電池的超長且穩定的循環性能，其可以在電流密度為500 mA g^-1的情況下良好地循環400次以上的循環而沒有容量衰減。通過非原位掃描電子顯微鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜、紅外光譜和拉曼光譜表明Ir NSs-CNFs作為陰極的Li-CO₂電池可以在放電過程中極大地穩定非晶中間產物，這是提高Li-CO₂電池性能的關鍵。目前的工作開啟了基于Ir的陰極結構的新設計，用于改善非質子Li-CO₂電池的性能。

文獻鏈接：Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO₂ Batteries（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803124）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

本文由高分&生物組、納米組小胖紙編譯，材料人編輯整理。

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.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.