南京大學周豪慎&何平EES：用釕（Ru）納米顆粒作為正極催化劑的可逆Li-CO2電池

【背景介紹】

隨著礦石資源的短缺，近年來人們對新能源儲存系統的需求急劇增加。鋰離子電池雖然是目前最先進的電化學儲能系統，但是它無法滿足諸如電動車輛和綠色能源儲存等應用中的能量存儲要求。因此，可充電鋰空氣電池由于其比容量高而引起廣泛關注，但是到目前為止很多鋰空氣電池都是在純氧的環境下工作的。近期，Li–CO₂電池由于其高能量密度吸引了眾多學者，然而，目前的Li-CO₂電池仍然存在諸如低庫侖效率和高電位等問題，因此仍然需要大量工作來優化Li-CO₂電池的電化學性能。

【成果簡介】

近日，來自南京大學的周豪慎教授和何平副教授（共同通訊）等人使用溶劑熱合成法將釕（Ru）納米顆粒沉積在Super P上，所得材料Ru @ Super P用作Li-CO₂電池中的正極。用Ru @ Super P作為正極的Li-CO₂電池表現出明顯降低的電荷電勢，并且可以在100mA g^-1下以1000mA h g^-1的固定容量循環80次，這是迄今為止報道的Li-CO₂電池所達到的最佳的循環穩定性。

【圖文導讀】

圖1 用Ru @ Super P作為陰極材料的Li-CO₂電池示意圖

在放電過程中，Li離子和電子轉移到正極并與CO₂結合，在多孔碳電極表面形成Li₂CO₃。在充電時，Li₂CO₃分解為Li離子和二氧化碳

圖2 Ru @ Super P催化劑材料的表征

a）XRD圖表

b）釕納米顆粒的TEM圖像和SAED圖

圖3具有LiCF₃SO₃-TEGDME作為電解質的Super P和Ru @ Super P電極的陽極LSV曲線

a）在0-5.2 V的電位范圍內的LSV曲線

b）放大的Super P和Ru @ Super P的LSV曲線，掃速為10 mV s^-1

圖4?用Super P和Ru @ Super P作為正極的Li-CO₂電池在LiCF₃SO₃-TEGDME中以100mA g^-1的電流密度表征

a）放電再充電電池容量和電位的關系曲線

b）放電前，放電后和再充電后的Ru @ Super P電極的XRD圖表

c）放電前Ru @ Super P電極的SEM圖像

d）放電后Ru @ Super P電極的SEM圖像。

圖5 Ru @ Super P在LiCF₃SO₃-TEGDME中的循環穩定性

分別在（a）100 mA g^?1, (b) 200 mA g^?1?，(c) 300 mA g^?1密度下的循環穩定性

分別在(d) 100 mA g^?1, (e) 200 mA g^?1?，(f) 300 mA g^?1密度下Ru @ Super P電極首次放電后放電產物的SEM圖像

圖6?在100 mA g^-1下不同充放電循環次數后正極的XPS光譜

a）首次放電之后

b）首次再充電后

c）經過10小時放電后

d）經過10小時再充電后

圖7 在電流密度為50 mA g^-1的Ru @ Ni泡沫電極上放電產物的表征

a）放電前后電極的拉曼光譜

b）原始電極的SEM圖像

c）放電電極的SEM圖像

圖8 Li-CO₂電池充電過程的反應機理示意圖

a）沒有Ru催化劑時的Li-CO₂電池的充電過程的反應機理

b）Li-CO₂電池與Ru催化劑的充電機理的可能性研究

c）Li-CO₂電池的放電過程

圖9 使用LiCF₃SO₃-TEGDME在二氧化碳中放電和再充電期間使用和不使用Ru催化劑的電極的原位SERS表征

a）使用LiCF₃SO₃-TEGDME作為電解質

b）使用LiCF₃SO₃-TEGDME時電極不含Ru催化劑

c）使用LiCF₃SO₃-TEGDME時電極含有Ru催化劑

圖10 在增強的電流密度下Ru @ Super P作為正極的Li-CO2電池的充電過程原位GC-MS表征

a）Li-CO₂電池的充電曲線

b）CO₂和碎片-58（電解質溶劑的分解產物之一）的演變曲線，灰色虛線表示電解質開始分解，其與充電曲線相交于電位值4.4V的位置

【總結】

Li-CO₂電池的放電容量為8229mAh g^-1，在完全放電-再充電試驗的第一個循環中顯示出庫侖效率為86.2％。通過XRD和拉曼光譜證實了Li2CO₃和碳是主要的放電產物。在電流密度為100,200和300mA g^-1時，電池能夠放電并充電循環超過70次，表明Ru @ Super P最為陰極具有優異的循環穩定性。

文獻鏈接：A reversible lithium–CO2 battery with Ru nanoparticles as a cathode catalyst（Energ. Environ. Sci.,2017,DOI:? 10.1039/ C6EE03770D）

本文由材料人新能源組李倫供稿，材料牛整理編輯。

參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

材料測試，數據分析，上測試谷！