吉林大學徐吉靜教授Angew. Chem. Int. Ed.: 新型光/電能量轉化與儲存設備—柔性光輔助Li-CO2電池

【引言】

為了緩解當前全球所面臨的能源危機和環境污染問題，大量的研究者們致力于尋找和開發可再生能源來減少對傳統化石燃料的依賴。太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源成為了研究熱點。然而，目前太陽能的主要利用形式是通過光伏發電轉化為即時電能，不能實現電能的存儲。因此開發一種基于太陽能的新型可充電電池具有重大意義。近年來，具有超高理論能量密度的可充電Li-CO₂電池為捕獲溫室氣體CO₂提供了選擇，并一箭雙雕地將CO₂作為反應原料儲存在新型能源設備當中而備受關注。然而，然而，CO₂分子的熱力學穩定性及放電產物碳酸鋰的絕緣性，嚴重限制了Li-CO₂電池的充放電反應動力學，導致電池低的能量轉換效率和循環壽命。目前已有大量的研究試圖開發有效的正極電催化劑來解決這些問題，然而電池仍存在較大的過電位。受到光電還原CO₂啟發，本文首次將太陽能引入Li-CO₂電池中，開發了一種低成本、高效且環境友好的提高電池反應動力學的新策略，實現了光能轉化為電能提升電池的能量往返效率，并提供了詳細的反應機理研究。這一新策略將為高性能Li-CO₂電池的發展提供新思路，具有重要的科學意義和實用價值。

【成果簡介】

近日，吉林大學的徐吉靜教授（通訊作者）等人巧妙地設計和制備了分級多孔的In₂S₃@CNT/SS（ICS）雙功能光正極，并構建了新型的光輔助Li-CO₂電池體系。在模擬太陽光照射下，ICS受光激發產生電子和空穴，表現出優異的CO₂還原與析出催化活性。以ICS為正極的光輔助Li-CO₂電池，展現了超高放電電壓3.14 V（超過熱力學極限）和創紀錄的98.1%的往返效率。作者首次提出了通過光照下In³⁺還原成In⁺來預活化二氧化碳的放電反應機制。受益于ICS的柔性，將光輔助Li-CO₂電池從扣式拓展到柔性電池，在便攜性電子設備方面也展示出了廣闊的應用前景。該成果以題為“Light/Electricity Energy Conversion and Storage for Hierarchical Porous In₂S₃@CNT/SS Cathode towards a Flexible Li-CO₂?Battery”發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。本文的第一作者為管德慧和王曉雪。

【全文導讀】

圖1 光輔助鋰-二氧化碳電池基本結構及充放電電壓差的示意圖

圖2 ICS合成示意圖及表征

(a) ICS合成示意圖;

(b) 樣品的SEM圖像（2微米）;

(c) 樣品的EDX元素分析（100微米）;

(d) 樣品的TEM圖像（主圖：100納米；插圖：5納米）;

(e) 樣品及對比材料的XRD圖像;

(f) 樣品的Raman圖像;

(g) 樣品的In 3d及S 2p XPS光譜。

圖3 ICS的光電性能測試

(a) 樣品及對比材料的紫外可見吸收光譜;

(b) 樣品及對比材料的M-S圖;

(c) ICS的能帶示意圖;

(d) 樣品及對比材料的光響應電流;

(e) 樣品及對比材料在光照下二氧化碳還原過程（CDRR）的LSV曲線;

(f) 樣品及對比材料在光照下二氧化碳析出過程（CDER）的LSV曲線。

圖4 ICS電池性能及動力學性能測試

(a) 樣品在有光和無光下的充放電平臺;

(b-c) 樣品在有光和無光下的LSV曲線(b：CDRR，c：CDER，插圖為對應的Tafel斜率);

(d) 樣品在有光和無光下倍率性能；

(e) 樣品在有光和無光下EIS及擬合曲線。

圖5 ICS放電過程的研究

(a)?樣品在有光和無光下相同放電后的Raman圖;

(b) 樣品在有光和無光下相同放電后XPS圖;

(c) 樣品在有光和無光下的CV曲線;

(d)?光誘導放電過程的工作機制示意圖。

圖6光照對放電產物形成與分解作用

(a-d) 樣品在有無光照條件下充放電后的SEM圖像（a-d：1微米）;

(e) 樣品在有無光照條件下充放電的XRD譜圖;

(f)?光對放電產物沉積與分解的模型示意圖。

圖7 ICS柔性展示

(a) 光輔助Li-CO₂軟包電池的結構示意圖;

(b) 光輔助Li-CO₂電池在0°，45°和180°的彎曲角度下的循環性能，插圖為相應的彎曲狀態下ICS正極數碼照片;

(c-e) 光輔助Li-CO₂電池在0°，45°和180°的彎曲角度下點亮宇航員模型LED燈。

【小結】

該研究成功建立了以ICS作為正極的光輔助Li-CO₂電池體系，實現了光/電能轉換并存儲于Li-CO₂電池中。光照條件下，光生電子和空穴可以通過界面電子相互作用以及正負極間電勢差轉移，能夠分別增強CDRR和CDER動力學。光照條件下，電池展示出3.14 V的超高放電電壓和3.20 V的超低充電電壓；與無光條件下相比，往返效率高達98.1％，這是目前本領域報道的最高值。此外，作者提出了一種通過在光照下將In³⁺還原為In⁺來“預活化” CO₂的新策略，合理地解釋了光輔助的放電過程。該研究成果為開發低成本、高安全性能光電存儲轉化設備提供了新的思路，同時推動了光輔助可充電電池的實際應用。

文章鏈接：De-hui Guan, Xiao-Xue Wang, Ma-Lin Li, Fei Li, Li-Jun Zheng, Xiao-Lei Huang, Ji-Jing Xu^*, Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202005053

【通訊作者簡介】

徐吉靜，吉林大學，化學學院，無機合成與制備化學國家重點實驗室，未來科學國際合作聯合實驗室，教授，博士生導師。光學晶體標準化技術委員會副秘書長。主要從事多孔新能源材料與器件領域的基礎研究和技術開發工作，包括鋰（鈉、鉀、鋅）離子電池關鍵材料及器件，鋰空氣（硫、二氧化碳）電池等新型化學電源，外場（光、力、磁、熱）輔助能量儲存與轉化新體系。近5年共發表SCI學術論文50余篇，其中包括第一作者/通訊作者論文：Nat. Commun.3篇、Nat. Energy 1篇、Angew. Chem. Int. Ed.?2篇、Adv. Mater. 4篇、Energy Environ. Sci.?1篇、ACS Nano 1篇、ACS Cent. Sci.1篇。迄今為止，論文被他引4000余次，單篇最高引用360次，12篇論文入選ESI高引論文，研究成果被Nature、Science等作為亮點報道。獲授權發明專利和國防專利10項。曾獲科睿唯安“全球高被引學者”（2019年），吉林省拔尖創新人才（2019年），吉林省青年科技獎（2018年）和吉林大學學術帶頭人（2018年）等獎項或榮譽。