Angew. Chem. Int. Ed.：硼、氮共摻多孔石墨烯正極實現Li-CO2電池高效可充電

【引言】

在過去二十年里，鋰離子電池占領了便攜式電子市場，然而，目前的鋰離子電池能量密度非常有限。為了滿足長距離電動汽車嚴格的能量密度要求，金屬空氣電池，特別是鋰空電池(例如，Li-O₂電池理論能量密度約為3500Wh? kg^?1)引起了極大關注。Li(Na)-CO₂電池使用溫室氣體二氧化碳作為正極的活性物質，提供了二氧化碳捕獲的新方法，代表了下一代電化學儲能系統的發展。然而，二氧化碳與鋰負極的電化學反應可能導致絕緣Li₂CO₃的不可逆形成，使得電池難以再次充電，即使可以充電也表現出有限的循環性能，具有極大的極化性和較差的倍率性能。所以開發二氧化碳氧化還原反應的高效催化劑并研究Li-CO₂電池的電化學行為至關重要。

【成果簡介】

近日，美國凱斯西儲大學的戴黎明教授和美國宇航局蘭利研究中心的Yi Lin博士、John W Connell博士(共同通訊作者)等人在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了一篇名為“Highly Rechargeable Lithium-CO₂?Batteries with a Boron and Nitrogen-Codoped Holey-Graphene Cathode”的文章，研究人員利用B、N共摻多孔石墨烯作為二氧化碳還原和氧化反應的高效催化劑，獲得了高可逆性的可充電Li-CO₂電池。因為獨特的多孔納米結構和正極的高催化活性，所制備的Li-CO₂電池在1.0A g^-1的高電流密度下仍然具有高可逆性，低極化性，優異的倍率性能和長期循環穩定性。

【圖文導讀】

圖1 具有BN-hG正極的Li-CO₂電池的電化學過程示意圖和BN-hG的形貌結構分析

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a) 具有BN-hG正極的Li-CO₂電池示意圖；

b) BN-hG正極上相應的CO₂還原和氧化反應；

c) BN-hG的SEM圖像；

d) hG和BN-hG的N₂吸附-解吸等溫線和孔徑分布(PSD，插圖)；

e) hG和BN-hG的分析XPS光譜；

f-g) N1s和BN-hG的高分辨率光譜。

圖2 hG和BN-hG電極對CO₂還原和氧化反應催化活性的表征

?a)?在電壓為0?4.5V，電流密度為0.3Ag^-1的情況下，具有hG和BN-hG正極的Li-CO₂電池的全放電/充電曲線；

b) 首次放電后hG和BN-hG電極的XRD圖。

圖3 BN-hG電極對CO₂還原和氧化過程的可逆性表征

a-b) 完全放電(放電至2.0V)BN-hG電極的TEM圖和相應選區電子衍射(SAED)圖；

c) 完全再充電(再充電至5V)BN-hG電極的TEM圖像；

d) BN-hG電極的XRD圖；

e) 具有BN-hG電極的Li-CO₂電池的原始、完全放電和完全充電狀態的阻抗譜。

圖4 具有hG和BN-hG正極的Li-CO₂電池的電化學性能表征

a) 具有BN-hG正極的Li-CO₂電池在不同電流密度下的放電/充電曲線((b)中倍率測試的第2、5、8、11、14和17周期)；

b) 放電終止電壓；

c) 極化；

d) 具有hG和BN-hG正極的Li-CO₂電池的長期循環性能，前兩個循環的密度為1A g^-1，后續循環為1.0A g^-1。

【小結】

本文中，研究人員將多孔B、N共摻多孔石墨烯用作可再充電Li-CO₂電池的正極催化劑。因為獨特的多孔納米結構和高催化活性，新開發的Li-CO₂電池極化現象顯著降低，速率性能優異，在1.0 A g^-1的電流密度下可以穩定循環超過200次——勝過已報導的所有Li-CO₂甚至Li-O₂/CO₂電池。這項工作展示了低成本無金屬、雙官能團碳陰極催化劑克服Li-CO₂電池循環不穩定問題的可能性，并將其推向商業化。這對下一代電化學儲能系統的發展和二氧化碳的捕獲都具有重要意義。

文獻鏈接：Highly Rechargeable Lithium-CO₂?Batteries with a Boron and Nitrogen-Codoped Holey-Graphene Cathode(Angew. Chem. Int. Ed.,2017,DIO:10.1002/anie.201701826)

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